CN117269281A - 气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供能够将被测定气体中的测定对象气体的检测精度维持在较高水平的气体传感器。一种对被测定气体中的测定对象气体进行检测的气体传感器，其包括：传感器元件(101)和对所述传感器元件(101)进行控制的控制装置(90)，所述控制装置(90)具备：驱动控制部(92)，其进行使包括空腔内电极(44)的泵单元(41)动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测的通常控制；存储部(93)，其预先存储有基准电极(42)的基准电位为规定值的标准时的空腔内电极(44)与所述基准电极(42)之间的电压、和流通于所述泵单元(41)的电流的标准对应关系；以及诊断部(94)，其获得诊断时的流通于所述泵单元(41)的电流、和所述空腔内电极(44)与所述基准电极(42)之间的电压的诊断时对应关系，对所述诊断时对应关系和所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极(42)诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及一种对被测定气体中的测定对象气体进行检测的气体传感器。
背景技术
气体传感器用于汽车尾气等被测定气体中的对象气体成分(氧O2、氮氧化物NOx、氨NH3、烃HC、二氧化碳CO2等)的检测及浓度的测定。作为这样的气体传感器，已知有如下气体传感器，其具备：使用了氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质的传感器元件。
例如，日本特开2021－156647号公报中公开一种传感器元件，该传感器元件具备：元件主体，其内部设置有供被测定气体导入且使被测定气体流通的被测定气体流通部、和用于积存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)的基准气体室；以及基准电极，其配设于所述基准气体室。
在这样的气体传感器中，基准电极以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)接触的方式配设。例如，日本特开2021－156647号公报中公开了如下结构，即，在元件主体的内部独立设置的基准气体室，配设有基准电极。另外，例如，日本特开2018－173320号公报中公开了如下结构，即，在供基准气体导入并使基准气体流通于基准电极的多孔质的基准气体导入层，被覆有所述基准电极。此处，公开了：基准气体所存在的空间、和被测定气体所流入的传感器元件室通过传感器组装体而被区划开，且以使得气体不相互流通的方式进行了密封。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2021－156647号公报
专利文献2：日本特开2018－173320号公报
专利文献3：WO2020/004356号公报
发明内容
在上述气体传感器中，如果基准电极周围的基准气体中的氧浓度因某种原因而发生变化，则被测定气体中的测定对象气体的检测精度有时会降低。
在被测定气体中的氧浓度为已知的情况下，例如日本特开2021－156647号公报中记载那样，可以根据基准电极、与传感器元件的暴露于被测定气体中的部分所配设的被测定气体侧电极之间的电位差，来确认基准气体中的氧浓度，并根据需要进行调整。例如，在被测定气体为汽车等的尾气的情况下，燃料断开时，被测定气体为大气气氛，因此，氧浓度已知。
然而，由于通常被测定气体中的氧浓度时刻发生变化，因此，除了上述燃料断开时那样的氧浓度已知的特定时机以外，无法利用上述方法确认基准气体室的氧浓度。所以，在并非是氧浓度为已知的特定时机的期间，即便基准气体中的氧浓度发生了变化，也无法监测到其变化，被测定气体中的测定对象气体的检测精度有可能降低。
因此，本发明的目的在于，提供一种能够抑制被测定气体中的测定对象气体的检测精度降低且维持较高的检测精度的气体传感器。
本发明的发明人探讨了：在气体传感器的使用中，不限于被测定气体中的氧浓度为已知的情形，另外，无论氧浓度如何，都在任意时机诊断基准气体中的氧浓度的偏离并根据需要进行校正。
例如，WO2020/004356号公报中公开了：使电流在基准电极与暴露于被测定气体中的部分所设置的被测定气体侧电极之间，进行向所述基准电极的周围吸入氧的氧吸入控制。并且，为了抑制被测定气体中的测定对象气体的检测精度降低，基于没有执行所述氧吸入控制时的所述基准电极与所述被测定气体侧电极之间的第一基电压、和执行了所述氧吸入控制时的所述基准电极与所述被测定气体侧电极之间的第二基电压之差，对所述被测定气体的特定气体浓度进行校正。不过，该校正根据因为经时劣化带来的基准电极的电阻变化量来进行，并非是监测基准电极周围的基准气体中的氧浓度的变化来进行校正。
本发明的发明人进行了潜心研究，结果发现，如果采用如下构成的气体传感器，则能够诊断基准电极的基准电位的偏离。另外，还发现了：基于其诊断结果，对基准电极的基准电位的偏离进行校正，能够在气体传感器使用中的任意时机对基准电极的基准电位的偏离、亦即基准电极周围的基准气体中的氧浓度的偏离进行校正。
本发明中包括以下发明。
(1)一种对被测定气体中的测定对象气体进行检测的气体传感器，其包括传感器元件、和对所述传感器元件进行控制的控制装置，
所述气体传感器的特征在于，
所述传感器元件具备：
长条板状的基体部，该基体部包括氧离子传导性的固体电解质层；
被测定气体流通空腔，该被测定气体流通空腔自所述基体部的长度方向上的一个端部形成；
泵单元，该泵单元包括在所述被测定气体流通空腔内配设的空腔内电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述空腔内电极相对应的空腔外电极；
基准气体室，该基准气体室与所述被测定气体流通空腔隔离地形成在所述基体部的内部；以及
基准电极，该基准电极配设在所述基准气体室内，
所述控制装置具备：
驱动控制部，该驱动控制部进行使所述泵单元动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测的通常控制；
存储部，该存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准对应关系；以及
诊断部，该诊断部获得对所述基准电极的基准电位进行诊断的诊断时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时对应关系，对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
(2)根据上述(1)所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准电压电流曲线，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部以规定的范围来扫描针对所述泵单元的施加电压，获得所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时电压电流曲线，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压电流曲线和所述存储部已预先存储的所述标准电压电流曲线进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
(3)根据上述(1)或(2)所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有：在所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的关系为线形的欧姆区域中所述电流达到规定的电流值时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得所述电流达到所述规定的电流值时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
(4)根据上述(1)或(2)所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的在所述空腔内电极处水(H2O)开始分解时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得在所述空腔内电极处水(H2O)开始分解时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
(5)根据上述(1)或(2)所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有流通于所述泵单元的电流达到极限电流时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得流通于所述泵单元的电流达到极限电流时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
(6)根据上述(1)～(5)中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述传感器元件具备测定用泵单元，该测定用泵单元包括：在所述被测定气体流通空腔内配设的内侧测定电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述内侧测定电极相对应的外侧测定电极，
所述控制部在所述通常控制中以使得所述内侧测定电极与所述基准电极之间的电压达到目标电压的方式使电流流通于所述测定用泵单元，并根据所述电流的值，对被测定气体中的测定对象气体的浓度进行测定，
所述诊断部还基于所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，来变更所述通常控制中的所述目标电压，并对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
(7)根据上述(1)～(6)中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述诊断部还基于所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，向所述基准气体室吸入氧，或者从所述基准气体室吸出氧，并对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
·根据上述(6)或(7)所述的气体传感器，其特征在于，所述诊断部基于所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，来变更所述通常控制中的所述目标电压，并向所述基准气体室吸入氧或者从所述基准气体室吸出氧，且对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
(8)根据上述(1)～(7)中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，
所述基准气体室为：在所述基体部的内部封闭的空间。
(9)一种对被测定气体中的测定对象气体进行检测的气体传感器的控制方法，该气体传感器包括传感器元件、和对所述传感器元件进行控制的控制装置，
所述气体传感器的控制方法的特征在于，
所述传感器元件具备：
长条板状的基体部，该基体部包括氧离子传导性的固体电解质层；
被测定气体流通空腔，该被测定气体流通空腔自所述基体部的长度方向上的一个端部形成；
泵单元，该泵单元包括在所述被测定气体流通空腔内配设的空腔内电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述空腔内电极相对应的空腔外电极；
基准气体室，该基准气体室与所述被测定气体流通空腔隔离地形成在所述基体部的内部；以及
基准电极，该基准电极配设在所述基准气体室内，
所述控制装置具备：
驱动控制部，该驱动控制部进行使所述泵单元动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测的通常控制；
存储部，该存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准对应关系；以及
诊断部，该诊断部获得对所述基准电极的基准电位进行诊断的诊断时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离，
所述控制方法包括诊断步骤，即：
所述诊断部获得所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压和流通于所述泵单元的电流的诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
发明效果
如果采用本发明的气体传感器，则不限于被测定气体中的氧浓度为已知的情形，另外，无论氧浓度如何，都能够在气体传感器的使用中的任意时机诊断出基准电极的基准电位的偏离。即，能够诊断出基准电极周围的基准气体中的氧浓度的偏离。另外，基于其诊断结果，能够对基准电极的基准电位的偏离进行校正。其结果，能够使被测定气体中的测定对象气体的检测精度提高。能够抑制测定对象气体的检测精度降低，从而维持较高的检测精度。
附图说明
图1是表示气体传感器100的概要构成的一例的纵向剖视简图。
图2是表示气体传感器100的概要构成的一例的传感器元件101的长度方向上的垂直剖视简图。
图3是表示控制装置90与传感器元件101的各泵单元21、50、41、84及各传感器单元80、81、82、83之间的电连接关系的一例的框图。
图4是表示测定电极44与基准电极42之间的电压V2和测定电极44与外侧泵电极23之间的泵电流Ip2的对应关系的电压电流曲线的示意图。
图5是表示诊断时电压电流曲线相对于标准电压电流曲线的偏离的一例的示意图。
图6是表示诊断校正处理的一例的流程图。
图7是表示诊断校正处理的具体例的流程图。
图8是表示诊断校正处理的另一具体例的流程图。
图9是变形例的传感器元件201的长度方向上的垂直剖视简图。
图10是变形例的传感器元件301的长度方向上的垂直剖视简图。
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，12…缓冲空间，13…第二扩散速度控制部，15…被测定气体流通空腔，20…第一内部空腔，21…主泵单元，22…内侧主泵电极，22a…(内侧主泵电极的)顶部电极部，22b…(内侧主泵电极的)底部电极部，23…外侧泵电极，24…(主泵单元的)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…基准气体室，343…基准气体导入空间，44…测定电极，46…(测定用泵单元的)可变电源，48、348…基准气体导入层，50…辅助泵单元，51…辅助泵电极，51a…(辅助泵电极的)顶部电极部，51b…(辅助泵电极的)底部电极部，52…(辅助泵单元的)可变电源，53…第二辅助泵电极，60…第四扩散速度控制部，61…第三内部空腔，70…加热器部，71…加热器连接器电极，72…加热器，73…通孔，74…加热器绝缘体，75…压力释放孔，76…加热器导通部，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，84…基准气体调整泵单元，85…电源电路，90…控制装置，91…控制部，92…驱动控制部，93…存储部，94…诊断部，100…气体传感器，101、201、301…传感器元件，102…基体部。
具体实施方式
本发明的气体传感器包括：传感器元件和对所述传感器元件进行控制的控制装置。
本发明的气体传感器中包括的传感器元件具备：
长条板状的基体部，该基体部包括氧离子传导性的固体电解质层；
被测定气体流通空腔，该被测定气体流通空腔自所述基体部的长度方向上的一个端部形成；
泵单元，该泵单元包括在所述被测定气体流通空腔内配设的空腔内电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述空腔内电极对应的空腔外电极；
基准气体室，该基准气体室与所述被测定气体流通空腔隔离地形成在所述基体部的内部；以及
基准电极，该基准电极配设在所述基准气体室内。
本发明的气体传感器中包括的控制装置具备：
驱动控制部，该驱动控制部进行使所述泵单元动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测的通常控制；
存储部，该存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准对应关系；以及
诊断部，该诊断部获得对所述基准电极的基准电位进行诊断的诊断时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
[气体传感器的概要构成]
以下，参照附图，对本发明的气体传感器进行说明。图1是表示作为本发明的一个实施方式的气体传感器100的概要构成的一例的纵向剖视简图。图2是表示气体传感器100的概要构成的一例的传感器元件101的长度方向上的垂直剖视简图。图3是表示控制装置90与传感器元件101之间的电连接关系的一例的框图。以下，以图2为基准，所谓上下，将图2的上侧设为上，将其下侧设为下，将图2的左侧设为前端侧，将其右侧设为后端侧。图1中，若使其与图2对应，则图1的左侧为上，其右侧为下，其下侧为前端侧，其上侧为后端侧。应予说明，图1所示的气体传感器的结构为众所周知的，例如日本特开2021－156647号公报、日本特开2018－173320号公报、WO2020/004356号公报中有所记载。
如图1所示，气体传感器100具备：传感器元件101；保护罩130，其对传感器元件101的前端侧进行保护；以及传感器组装体140，其包含与传感器元件101导通的连接器150。如图所示，该气体传感器100安装于例如车辆的尾气管等配管190，用于对作为被测定气体的尾气中所含有的NOx、NH3、O2等测定对象气体的浓度进行测定。在本实施方式中，气体传感器100测定作为测定对象气体的NOx的浓度。
保护罩130具备：有底筒状的内侧保护罩131，其将传感器元件101的前端覆盖；以及有底筒状的外侧保护罩132，其将上述内侧保护罩131覆盖。在内侧保护罩131以及外侧保护罩132形成有：用于使被测定气体在保护罩130内流通的多个孔134。传感器元件室133形成为：由内侧保护罩131包围的空间，传感器元件101的前端配置于该传感器元件室133内。
传感器组装体140具备：元件封闭体141，其对传感器元件101进行封入固定；螺母147、外筒148，它们安装于元件封闭体141；以及连接器150，其与在传感器元件101的后端的表面(上下表面)形成的未图示的连接器电极(图2中仅示出了后述的加热器连接器电极71)接触而与这些电极电连接。
元件封闭体141具备：筒状的主体金属件142；筒状的内筒143，其与主体金属件142同轴地被焊接固定；以及陶瓷支承件144a～144c、压粉体145a、145b、金属环146，它们被封入于主体金属件142以及内筒143的内侧的贯通孔内。传感器元件101位于元件封闭体141的中心轴上，并在前后方向上将元件封闭体141贯通。在内筒143形成有：缩径部143a，其用于将压粉体145b在内筒143的中心轴方向上按压；以及缩径部143b，其用于借助金属环146而将陶瓷支承件144a～144c、压粉体145a、145b向前方按压。压粉体145a、145b在主体金属件142及内筒143与传感器元件101之间被来自缩径部143a、143b的按压力压缩，由此，压粉体145a、145b将保护罩130内的传感器元件室133与外筒148内的空间149之间封闭，并且将传感器元件101固定。
螺母147与主体金属件142呈同轴地被固定，并在螺母147的外周面形成有外螺纹部。螺母147的外螺纹部插入于固定用部件191内，该固定用部件191焊接于配管190，并在内周面设置有内螺纹部。由此，气体传感器100以气体传感器100中的传感器元件101的前端、或保护罩130的部分突出至配管190内的状态而被固定于配管190。
外筒148将内筒143、传感器元件101以及连接器150的周围覆盖，与连接器150连接的多根导线155从后端向外部被引出。该导线155借助连接器150而与传感器元件101的各电极(后述)导通。外筒148与导线155的间隙由橡胶塞157封闭。外筒148内的空间149被大气充满。传感器元件101的后端配置于该空间149内。
(传感器元件)
如图2所示，传感器元件101为长条板状的元件，其包括：具有将多个氧离子传导性固体电解质层进行层叠而得到的结构的基体部102。长条板状也称为长板状或者带状。基体部102具有：在附图中自下侧开始按照分别由氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质层形成的第一基板层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的顺序对这六个层进行层叠而得到的结构。形成这六个层的固体电解质是致密且气密的固体电解质。所述六个层可以为全部相同的厚度，也可以针对各层为不同的厚度。各层之间借助包含固体电解质的粘接层而进行粘接，基体部102中包括所述粘接层。图2中，例示了包括所述六个层的层构成，不过，本发明中的层构成不限于此，可以采用任意的层数及层构成。
该传感器元件101如下制造，例如，对与各层相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的长度方向上的一个端部(以下称为前端部)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，形成有气体导入口10。被测定气体流通部15、即被测定气体流通部是：自气体导入口10开始，在长度方向上，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以按上述的顺序依次连通的方式形成的。
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挖空的方式设置的传感器元件101的内部空间，其中，该内部空间的上部由第二固体电解质层6的下表面区划而成，下部由第一固体电解质层4的上表面区划而成，侧部由隔离层5的侧面区划而成。
第一扩散速度控制部11、第二扩散速度控制部13以及第三扩散速度控制部30均设置成2条横长的狭缝(图2中，与附图垂直的方向构成开口的长度方向)。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都只要是施加所期望的扩散阻力的形态即可，其形态并不限定于所述狭缝。
第四扩散速度控制部60以1条横长的狭缝(图2中，与附图垂直的方向构成开口的长度方向)的方式设置于隔离层5与第二固体电解质层6之间。第四扩散速度控制部60为施加所期望的扩散阻力的形态即可，其形态并不限定于所述狭缝。
在隔离层5的下表面与第三基板层3的上表面之间设置有基准气体室43。基准气体室43是：以将第一固体电解质层4挖空的方式设置的传感器元件101的内部空间。本实施方式中，基准气体室43为：在基体部102的内部封闭的空间。基准气体室43为：用于积存作为进行NOx浓度测定时的基准的基准气体的区域。基准气体为：规定的氧浓度的气体，在本实施方式中，设为大气、或氧浓度与大气相同的气体(例如以氮为基础气体且包含氧的气体)。在基准气体室43配设有基准电极42。
基准电极42是：在基准气体室43内的第三基板层3的上表面配设的电极。另外，如后所述，可以使用基准电极42来测定第一内部空腔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)。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)。
在被测定气体流通空腔15中，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而从外部空间进入至传感器元件101内。
在本实施方式中，被测定气体流通空腔15为：从在传感器元件101的前端面呈开口的气体导入口10被导入被测定气体的形态，不过，本发明并不限定于该形态。例如，在被测定气体流通空腔15可以不存在气体导入口10的凹处。这种情况下，实质上，第一扩散速度控制部11为气体导入口。
另外，例如，被测定气体流通空腔15可以为：在基体部102的沿着长度方向的侧面具有与缓冲空间12或者第一内部空腔20的靠近缓冲空间12的位置相连通的开口的形态。这种情况下，被测定气体通过所述开口而从基体部102的沿着长度方向的侧面被导入。
另外，例如，被测定气体流通空腔15可以构成为：被测定气体通过多孔体而被导入。
第一扩散速度控制部11是：对从气体导入口10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。
作为结果，导入至第一内部空腔20的被测定气体的量为规定的范围即可。即，在传感器元件101的前端部至第二扩散速度控制部13的整体被施加规定的扩散阻力即可。例如，可以为第一扩散速度控制部11直接与第一内部空腔20连通、即不存在缓冲空间12和第二扩散速度控制部13的方式。
缓冲空间12是：为了在被测定气体的压力发生变化时缓和因其压力变化给检测值带来的影响而设置的空间。
被测定气体在从传感器元件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化(被测定气体为汽车尾气的情况下是排气压力的脉动)而从气体导入口10急剧地被引入到传感器元件101内部，但是，该被测定气体并非直接向第一内部空腔20导入，而是在通过了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而将被测定气体的压力变化消除之后，再向第一内部空腔20导入。由此，向第一内部空间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设置成为：用于对通过了第二扩散速度控制部13而被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进行工作而对该氧分压进行调整。
主泵单元21是：由内侧主泵电极22、外侧泵电极23以及被这些电极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的大致整面设置的顶部电极部22a，外侧泵电极23以在外部空间(图1中的传感器元件室133)露出的方式而设置于第二固体电解质层6的上表面的与顶部电极部22a对应的区域。
内侧主泵电极22以面对被测定气体流通空腔15的内表面的第一内部空腔20的方式配设。即，内侧主泵电极22跨设形成于：区划出第一内部空腔20的上下的固体电解质层(第二固体电解质层6以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的顶面的第二固体电解质层6的下表面形成有顶部电极部22a，另外，在构成底面的第一固体电解质层4的上表面形成有底部电极部22b，并且，侧部电极部(省略图示)以将上述顶部电极部22a和底部电极部22b连接的方式形成于构成第一内部空腔20的两个侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)，从而在该侧部电极部的配设部位配设成隧道形态的结构。
内侧主泵电极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主泵电极22是：使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的。
在主泵单元21中，利用可变电源24对内侧主泵电极22与外侧泵电极23之间施加所期望的泵电压Vp0，使泵电流Ip0沿着正方向或者负方向在内侧主泵电极22与外侧泵电极23之间流通，由此，能够将第一内部空腔20内的氧吸出至外部空间、或者将外部空间的氧吸入至第一内部空腔20。
另外，为了对第一内部空腔20的气氛中的氧浓度(氧分压)进行检测，由内侧主泵电极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。
通过对主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势(电压V0)进行测定，能够获知第一内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。此外，以使电压V0恒定的方式对泵电压Vp0进行反馈控制，由此控制泵电流Ip0。从而，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：对在第一内部空腔20通过主泵单元21的动作而对氧浓度(氧分压)进行了控制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二内部空腔40引导的部位。
第二内部空腔40设置成为：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行更高精度的调整的空间。通过辅助泵单元50进行工作来调整该氧分压。
在第二内部空腔40中，对于预先在第一内部空腔20中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过了第三扩散速度控制部30而被导入的被测定气体，进一步利用辅助泵单元50进行氧分压的调整。由此，能够高精度地将第二内部空腔40内的氧浓度保持恒定，因此，在这样的气体传感器100中，能够高精度地测定NOx浓度。
辅助泵单元50是：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配设于被测定气体流通空腔15的内表面的比内侧主泵电极22更远离所述基体部102(传感器元件101)的长度方向上的所述一个端部(前端部)的位置。
这样的辅助泵电极51以与此前的设置于第一内部空腔20内的内侧主泵电极22同样的隧道形态的结构而被配设于第二内部空腔40内。即，相对于构成第二内部空腔40的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的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)形成为：在构成第二内部空腔40的侧壁的隔离层5的两个壁面分别形成的隧道形态的结构。
此外，关于辅助泵电极51，与内侧主泵电极22同样，也是使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的。
在辅助泵单元50中，利用可变电源52而向辅助泵电极51与外侧泵电极23之间施加所期望的泵电压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。
此外，辅助泵单元50利用可变电源52进行泵送，该可变电源52基于由该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)而被控制电压。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，其泵电流Ip1用于控制主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电压V0。具体而言，泵电流Ip1作为控制信号而被输入至主泵控制用氧分压检测传感器单元80，通过控制其电压V0，而将从第三扩散速度控制部30导入第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度控制为始终恒定。在用作NOx传感器时，第二内部空腔40内的氧浓度因为主泵单元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：对在第二内部空腔40通过辅助泵单元50的动作而将氧浓度(氧分压)控制得更低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设置成为：用于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)浓度进行测定的空间。通过测定用泵单元41的动作来测定NOx浓度。
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。测定用泵单元包括内侧测定电极(本实施方式中为测定电极44)和外侧测定电极(本实施方式中为外侧泵电极23)，其中，内侧测定电极配设于所述被测定气体流通空腔15内(所述被测定气体流通空腔15的内表面)，外侧测定电极配设于所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔15不同的位置且与所述内侧测定电极相对应。
即，在本实施方式中，测定用泵单元41是由测定电极44、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)、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的位置。
测定电极44配设于所述被测定气体流通空腔15的内表面的比所述内侧主泵电极22及所述辅助泵电极51更远离所述基体部102(传感器元件101)的长度方向上的所述一个端部(前端部)的位置。
测定电极44是多孔质金属陶瓷电极。测定电极44还作为对第三内部空腔61内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂发挥作用。例如，在本实施方式中，测定电极44采用Pt及Rh与ZrO2的多孔质金属陶瓷电极。
在测定用泵单元41中，能够将因测定电极44周围的气氛中的氮氧化物分解而产生的氧吸出，从而能够将其产生量作为泵电流Ip2而进行检测。
另外，为了对测定电极44周围的氧分压进行检测，由第一固体电解质层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。基于由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势(电压V2)而对可变电源46进行控制。
导入到第二内部空腔40内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第四扩散速度控制部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的电动势Vp2进行控制，以使得由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电压V2恒定。在测定电极44的周围生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比，因此，利用测定用泵单元41中的泵电流Ip2，对被测定气体中的氮氧化物浓度进行计算。
另外，如果将测定电极44、第一固体电解质层4、第三基板层3以及基准电极42进行组合而以电化学传感器单元的形式构成氧分压检测结构，则能够检测出：与测定电极44周围的气氛中的NOx成分还原而生成的氧的量和基准大气中所含的氧的量之差相对应的电动势，由此也能够求出被测定气体中的NOx成分的浓度。
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(电压Vref)，并能够利用该电动势，对传感器外部的被测定气体中的氧分压进行检测。
此外，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构成电化学基准气体调整泵单元84。该基准气体调整泵单元84借助由与外侧泵电极23和基准电极42之间连接的电源电路85所施加的泵电压Vp3而使泵电流Ip3流通，由此进行氧的泵送。由此，基准气体调整泵单元84能够从外侧泵电极23周围的空间(图1中的传感器元件室133)向基准电极42周围的空间亦即基准气体室43进行氧的吸入，或者从基准气体室43向外侧泵电极23周围的空间进行氧的吸出。
在具有这样的结构的气体传感器100中，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)的被测定气体供给至测定用泵单元41。因此，基于下述泵电流Ip2，能够获知被测定气体中的NOx浓度，其中，该泵电流Ip2与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比例，且因NOx的还原而产生的氧从测定用泵单元41吸出而流通。
此外，传感器元件101还具备加热器部70，该加热器部70承担着对传感器元件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、加热器导通部76、通孔73、以及加热器绝缘层74。
加热器连接器电极71是以与第一基板层1的下表面接触的方式而形成的电极。通过将加热器连接器电极71与作为外部电源的加热器电源连接，能够从外部向加热器部70供电。
加热器72是：以由第二基板层2和第三基板层3上下夹持的方式而形成的电阻体。加热器72借助加热器导通部76及通孔73而与加热器连接器电极71连接，从外部通过该加热器连接器电极71进行供电而发热，对形成传感器元件101的固体电解质进行加热和保温，其中，加热器导通部76与加热器72连接，且向传感器元件101的长度方向后端侧延伸。
另外，加热器72埋设于从第一内部空腔20至第三内部空腔61的整个区域，能够将传感器元件101调整为上述固体电解质活化的温度。以使得主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41能够进行工作的方式调整温度即可。不需要将上述整个区域调整为相同温度，可以在传感器元件101具有温度分布。
在本实施方式的传感器元件101中，加热器72为埋设于基体部102的方式，但不限定于该方式。只要加热器72配设成对基体部102进行加热即可。即，只要加热器72能够将传感器元件101加热到表现出上述的主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41能够工作的氧离子传导性的程度即可。例如，可以像本实施方式这样埋设于基体部102。或者，例如加热器部70可以形成为有别于基体部102的另一加热器基板，并配设于基体部102的相邻位置。或者，传感器元件101可以利用高温的被测定气体进行加热。为了精度良好地进行测定，无论被测定气体的温度如何，均优选传感器元件101的温度恒定。若考虑这一点，则优选像本实施方式那样传感器元件101具备加热器部70。
加热器绝缘层74是：通过氧化铝等绝缘体而形成于加热器72及加热器导通部76的上下表面的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于：获得第二基板层2与加热器72及加热器导通部76之间的电绝缘性、及第三基板层3与加热器72及加热器导通部76之间的电绝缘性。
(控制装置)
本实施方式的气体传感器100包括：上述的传感器元件101、以及对传感器元件101进行控制的控制装置90。气体传感器100中，传感器元件101的各电极22、23、51、44、42分别借助引线155而与控制装置90电连接。图3是表示本实施方式中的控制装置90与传感器元件101的各泵单元21、50、41、84及各传感器单元80、81、82、83之间的电连接关系的框图。控制装置90包括：上述的可变电源24、46、52、电源电路85、以及控制部91。控制部91包括：驱动控制部92、泵控制部93以及诊断部94。
控制部91通过通用或专用的计算机来实现，且利用搭载于计算机的CPU、存储器等来实现作为驱动控制部92、存储部93以及诊断部94的功能。应予说明，气体传感器100以来自汽车发动机的尾气中包含的NOx为测定对象气体，传感器元件101安装于排气路径的情况下，控制装置90(特别是控制部91)的一部分或者全部功能可以通过搭载于该汽车的ECU(Electronic Control Unit：电子控制装置)来实现。
控制部91构成为：获得传感器元件101的各传感器单元80、81、82、83中的电动势(电压V0、V1、V2、Vref)及各泵单元21、50、41、84中的泵电流(Ip0、Ip1、Ip2、Ip3)。另外，控制部91构成为：向可变电源24、52、46及电源电路85输出控制信号。
驱动控制部92构成为：对主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41的动作进行控制。此外，还可以构成为：对基准气体调整泵单元84的动作进行控制。
驱动控制部92进行如下通常控制，即，使泵单元进行动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测，其中，泵单元包括：被测定气体流通空腔15内配设的空腔内电极、以及所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔15的位置配设的且与所述空腔内电极相对应的空腔外电极。
空腔内电极是：在被测定气体流通空腔15内、即被测定气体流通空腔15的内表面配设的电极。利用扩散速度控制部进行调整之后的量的被测定气体到达空腔内电极。在本实施方式中，内侧主泵电极22、辅助泵电极51或测定电极44作为空腔内电极而发挥作用。在本实施方式中，主泵单元21、辅助泵单元50或测定用泵单元41作为泵单元而发挥作用。在本实施方式中，外侧泵电极23兼有：作为泵单元21、50、41各自的空腔外电极的功能。在本实施方式中，驱动控制部92在通常控制中使主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41进行动作。
在通常控制中，驱动控制部92以使得作为内侧测定电极的测定电极44与基准电极42之间的电压V2达到目标电压(设定值)的方式，使泵电流Ip2在测定电极44、与作为外侧测定电极而发挥作用的外侧泵电极23之间流通，根据所述泵电流Ip2的值，对被测定气体中的测定对象气体(本实施方式中为NOx)的浓度进行测定。更具体而言，在本实施方式中，如下进行通常控制。
驱动控制部92以使得主泵控制用氧分压检测传感器单元80中的电压V0为恒定值(称为设定值V0SET)的方式，对主泵单元21中的可变电源24的泵电压Vp0进行反馈控制。电压V0表示内侧主泵电极22附近的氧分压，因此，使电压V0恒定意味着：使内侧主泵电极22附近的氧分压恒定。作为结果，主泵单元21中的泵电流Ip0根据被测定气体中的氧浓度而发生变化。
被测定气体中的氧分压高于与设定值V0SET相当的氧分压的情况下，在主泵单元21中，从第一内部空腔20排出氧。另一方面，被测定气体中的氧分压低于与设定值V0SET相当的氧分压的情况下(例如包含烃HC等的情况下)，在主泵单元21中，从传感器元件101之外的空间向第一内部空腔20吸入氧。因此，泵电流Ip0可以取正负中的任一值。
驱动控制部92以使得辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81中的电压V1为恒定值(称为设定值V1SET)的方式，对辅助泵单元50中的可变电源52的泵电压Vp1进行反馈控制。电压V1表示辅助泵电极51附近的氧分压，因此，使电压V1恒定意味着：使辅助泵电极51附近的氧分压恒定。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，与此同时进行反馈控制，即，以使得辅助泵单元50中的泵电流Ip1为恒定值(称为设定值Ip1SET)的方式基于泵电流Ip1来设定电压V0的设定值V0SET。具体而言，将泵电流Ip1作为控制信号而输入至主泵控制用氧分压检测传感器单元80，并将其电压V0控制为基于泵电流Ip1而设定的设定值V0SET，由此将从第三扩散速度控制部30导入于第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度控制为始终恒定。在用作NOx传感器时，通过主泵单元21和辅助泵单元50的工作，第二内部空腔40内的氧浓度被保持为约0.001ppm左右的恒定值。即，可以认为：从第四扩散速度控制部60导入于第三内部空腔61的被测定气体中的氧浓度保持为约0.001ppm左右的恒定值。
驱动控制部92以使得由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电压V2为恒定值(称为设定值V2SET)的方式，对测定用泵单元41中的可变电源46的泵电压Vp2进行反馈控制。在测定电极44处，被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N2+O2)而生成氧。利用测定用泵单元41，将所生成的氧泵出，以使得电压V2达到设定值V2SET。设定值V2SET可以设定为：在测定电极44处实质上将NOx全部分解的值。设定值V2SET可以设定为：泵电流Ip2达到极限电流的值。下文中，对极限电流进行说明。
驱动控制部92还可以进行：利用电源电路85对基准气体调整泵单元84施加泵电压Vp3而使泵电流Ip3流通的控制。通过使泵电流Ip3流通，可以向基准气体室43吸入氧(氧吸入控制)或者从基准气体室43吸出氧(氧吸出控制)。在通常控制中，例如，可以进行施加规定的泵电压Vp3的控制，也可以进行使规定的泵电流Ip3流通的控制。在通常控制中进行该控制的情况下，例如，可以使泵电流Ip3连续地流通，也可以使泵电流Ip3断续地流通。泵电流Ip3可以恒定，也可以使其变化。在通常控制中进行所述氧吸入控制或所述氧吸出控制的情况下，应当留意在实质上对测定精度没有影响的范围内进行。
如后所述，在诊断部94对基准电极42的基准电位进行诊断的诊断时，驱动控制部92停止各泵单元21、50、41、84的上述的通常控制即可。
存储部93预先存储有：所述基准电极42的基准电位为规定值时(称为标准时)的空腔内电极与基准电极42之间的电压、和流通于泵单元(空腔内电极与空腔外电极之间)的电流的标准电压电流对应关系(标准对应关系)。所述泵单元在本实施方式的传感器元件101中为主泵单元21、辅助泵单元50或测定用泵单元41。空腔内电极分别为内侧主泵电极22、辅助泵电极51或测定电极44。空腔外电极在所有泵单元中均为外侧泵电极23。例如，在本实施方式中，预先存储有：测定电极44与基准电极42之间的电压V2和流通于测定用泵单元41(测定电极44与外侧泵电极23之间)的泵电流Ip2的标准对应关系。后述的诊断部94采用存储部93所存储的所述标准对应关系，来诊断基准电极42的基准电位。
诊断部94获得对所述基准电极42的基准电位进行诊断的诊断时的所述空腔内电极(测定电极44)与所述基准电极42之间的电压(电压V2)、和流通于所述泵单元(本实施方式中为测定用泵单元41)的电流(泵电流Ip2)的诊断时电压电流对应关系(诊断时对应关系)，对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极42诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。另外，诊断部94基于诊断出的所述偏离而对其偏离进行校正即可。下文中，对诊断部94实施的诊断及校正的详细情况进行说明。
另外，下文中，对存储部93所存储的所述标准对应关系及诊断部94所获得的所述诊断时对应关系进行详细说明。
[气体传感器的制造]
接下来，对如上所述的气体传感器100的制造方法的一例进行说明。在对包含氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质作为陶瓷成分的多个未烧成的片状成型物(所谓的生片)进行了规定的加工及电路图案的印刷等之后，将该多个片材进行层叠，并将其层叠体切断后，进行烧成，由此能够制作传感器元件101。之后，制作嵌入有传感器元件101的气体传感器100。
以下，以制作图2所示的包括6个层的传感器元件101的情形为例进行说明。
首先，准备出包含氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质作为陶瓷成分的6块生片。生片的制作可以使用公知的成型方法。6块生片既可以为全部相同的厚度，也可以根据待形成的层而使厚度不同。通过利用冲压装置的冲孔处理等公知的方法，在6块生片分别预先形成出印刷时或层叠时定位用的片材孔等(半成品片材)。在用于隔离层5的半成品片材，通过同样的方法还形成内部空腔等贯通部。在用于第一固体电解质层4的半成品片材，通过同样的方法，还形成基准气体室43的贯通部。在其他层也预先形成必要的贯通部。
对用于第一基板层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个层的半成品片材进行各层所需要的各种图案的印刷、干燥处理。图案的印刷可以使用公知的丝网印刷技术。干燥处理也可以采用公知的干燥手段。
反复进行上述工序，当针对6块半成品片材各自的各种图案的印刷及干燥结束后，将6块印刷完成的半成品片材以片材孔等进行定位且以规定的顺序进行堆叠，进行：以规定的温度、压力条件使其压接而制成层叠体的压接处理。压接处理如下进行，即，利用公知的液压机等层叠机，进行加热、加压。进行加热、加压的温度、压力及时间虽然依赖于所使用的层叠机，不过，可以以能够实现良好的层叠的方式适当确定。
所得到的层叠体包含多个传感器元件101。将其层叠体切断而切分为传感器元件101的单元。将切分后的层叠体以规定的烧成温度进行烧成，来得到传感器元件101。烧成温度只要为：构成传感器元件101的基体部102的固体电解质进行烧结而成为致密体、且电极等保持所期望的气孔率的温度即可。例如，以1300～1500℃左右的烧成温度进行烧成。
之后，制作嵌入有传感器元件101的气体传感器100。例如，将元件封闭体141安装于传感器元件101，并进行封闭固定，以与加热器连接器电极71等连接器电极导通的方式在传感器元件101的后端侧安装连接器150及引线155。另外，在元件封闭体141中的传感器元件101的前端侧，来安装保护罩130。另外，在元件封闭体141中的传感器元件101的后端侧，来安装外筒148，并且，从外筒148将引线155引出到外部。而且，将控制装置90和传感器元件101借助引线155而连接。由此，得到气体传感器100。
在气体传感器100的制造工序中，得到传感器元件101后或得到气体传感器100后，优选进行氧浓度确认工序，即，进行：基准气体室43的氧浓度的确认、和根据需要的基准气体室43的氧浓度的调整。例如，如下进行该工序。首先，在使传感器元件101的外侧泵电极23与已知的氧浓度的气体(例如大气)接触的状态下，将传感器元件101保持为规定的驱动温度(例如800℃)，对传感器单元83的电压Vref进行测定。而且，基于已知的氧浓度和电压Vref，导出基准气体室43内的氧浓度。而且，确认：基准气体室43内的氧浓度是否在视为与基准气体的氧浓度相同的规定的氧浓度范围内。在基准气体室43内的氧浓度偏离规定的氧浓度范围的情况下，从电源电路85向基准气体调整泵单元84施加泵电压Vp3，使泵电流Ip3流通，进行向基准气体室43内吸入氧或从基准气体室43吸出氧。由此，将基准气体室43的氧浓度调整为规定的氧浓度范围。关于电压Vref的测定及基准气体室43的氧浓度的调整，既可以由气体传感器100的控制装置90进行，也可以将有别于控制装置90的另一装置与传感器元件101连接而由该装置进行。
在氧浓度确认工序中的电压Vref测定时，使其不向基准气体调整泵单元84施加泵电压Vp3。此外，在电压Vref测定时，为了使由外侧泵电极23及基准电极42的压降带来的测定误差减少，优选不进行：使电流流通于外侧泵电极23的传感器元件101的控制。具体而言，优选停止主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41的动作(使可变电源24、52、46不施加泵电压Vp0、Vp1、Vp2)。特别是，流通于主泵单元21的泵电流Ip0的值若与泵电流Ip1、Ip2相比，则比较大，因此，外侧泵电极23的压降较大，所以，优选停止主泵单元21、辅助泵单元50及测定用泵单元41中的至少主泵单元21的动作。
在气体传感器100的制造工序中，进行所述氧浓度确认工序之后，进而，优选进行对应关系存储工序，即，使基准电极42的基准电位为规定值的标准时的空腔内电极与基准电极42之间的电压、和流通于泵单元(空腔内电极与空腔外电极之间)的电流的标准对应关系存储于存储部93。例如，如下进行该工序。首先，使其处于如下状态，即，将传感器元件101保持为规定的驱动温度(例如800℃)，停止通常控制中的主泵单元21、辅助泵单元50、测定用泵单元41及基准气体调整泵单元84的动作。利用可变电源46向测定用泵单元41施加泵电压Vp2。此时，以规定的范围扫描(Sweep)泵电压Vp2，且获得测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82(测定电极44与基准电极42之间)的电压V2和流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2，由此获得电压V2和泵电流Ip2的标准对应关系(例如后述的标准电压电流曲线)。而且，使所获得的标准对应关系存储于存储部93。
可以针对所制造的各气体传感器100分别获得标准对应关系，使它们存储于该气体传感器100的存储部93。或者，可以预先获得代表性的标准对应关系，使该标准对应关系存储于多个气体传感器100的存储部93。例如，可以使相同的标准对应关系存储于相同构成的气体传感器100、相同制造批次的气体传感器100。这种情况下，可以在氧浓度确认工序之前进行对应关系存储工序。
标准对应关系的获得可以在与上述的氧浓度确认工序相同的气体气氛(例如大气)中进行，也可以在与其不同的气体气氛中进行。
控制装置90可以在气体传感器100的使用中以被测定气体的氧浓度为已知的状态，进行上述的氧浓度确认工序及紧接着该工序的对应关系存储工序。例如，在被测定气体为汽车等的内燃机的尾气的情况下，若在内燃机的燃料断开时，则被测定气体的氧浓度视为与大气相同，因此，可以进行与上述同样的氧浓度确认工序。如果在制造工序中亦即出厂前进行对应关系存储工序，则能够从气体传感器的使用开始之时起，在任意时机进行后述的诊断校正处理，故更优选。
[诊断校正处理]
(电压电流曲线)
首先，以测定电极44为例，对传感器元件101的空腔内电极的电压电流特性进行说明。图4是表示测定电极44与基准电极42之间的电压V2、和测定电极44与外侧泵电极23之间的泵电流Ip2的对应关系的电压电流曲线的示意图。在图4中，横轴为电压V2[V]，纵轴为泵电流Ip2[A]。这样的电压电流曲线以将传感器元件101保持为规定的驱动温度(例如800℃)的状态被测定。利用可变电源46，在测定电极44与外侧泵电极23之间以规定的范围扫描(Sweep)电压Vp2，来获得测定电极44与基准电极42之间的电压V2及流通的泵电流Ip2，由此得到电压电流曲线。
参照图4，首先，以使得向第三内部空腔61吸入氧的方式向测定电极44与外侧泵电极23之间施加泵电压Vp2。使施加的泵电压Vp2逐渐接近于零。之后，在从第三内部空腔61吸出氧的朝向，使泵电压Vp2从零逐渐增大。于是，泵电流Ip2及测定电极44与基准电极42之间的电压V2均逐渐增大。将像这样泵电流Ip2与电压V2之间的关系为线形的区域称为欧姆区域。在欧姆区域中，与所施加的泵电压Vp2成正比例的量的氧被吸入到第三内部空腔61，或者从第三内部空腔61被吸出。
进而，如果使泵电压Vp2逐渐增大，则即便使泵电压Vp2增大，泵电流Ip2也不会增大，达到上限。将此时的电流称为极限电流。相对于电压V2而言泵电流Ip2为极限电流的区域称为极限电流区域。在测定电极44处，O2及NOx显示出大致同样的分解行为。可以认为：在极限电流区域中，与到达第三内部空腔61的被测定气体中的氧(源自于O2和/或NOx的氧)的量相对应的泵电流Ip2、即极限电流流通，第三内部空腔61内的氧浓度实质上为零，或者成为足够低的氧浓度。
进而，如果使泵电压Vp2逐渐增大，则泵电流Ip2再次开始大于极限电流，相对于电压V2而言，泵电流Ip2呈直线状增加。可以认为这是因为：测定电极44周围的气氛气体中的水(H2O)被分解。将该区域称为H2O分解区域。
在上述的通常控制中，以便成为电压电流曲线的极限电流区域地对设定值V2SET进行设定即可。如果像这样进行设定，则通常控制中流通的泵电流Ip2成为极限电流。在通常控制中，到达测定电极44的被测定气体中的氧浓度成为实质上对NOx的测定没有影响的较低分压。因此，极限电流与被测定气体中的NOx浓度充分对应，所以，能够精度良好地检测NOx浓度。
测定电极44与基准电极42之间的电压V2大致相当于：根据测定电极44与基准电极42之间的氧浓度差而产生的电位差。因此，能够以基准电极42接触的基准气体中的氧浓度为基准，来测定第三内部空腔61内的测定电极44附近的氧浓度。内侧主泵电极22与基准电极42之间的电压V0、辅助泵电极51与基准电极42之间的电压V1、以及外侧泵电极23与基准电极42之间的电压Vref也分别以基准电极42为基准。
当基准气体中的氧浓度因某种理由而变化时，与其变化相对应地，基准电极42的电位(基准电位)也发生变化。其结果，以基准电极42为基准检测的各传感器单元80、81、82、83中的电压V0、V1、V2、Vref发生变化。于是，容易引起被测定气体中的NOx浓度的检测精度降低。
例如，在本实施方式中，基准气体室43为：在基体部102的内部大致封闭的空间。因此，气体从传感器元件101的外部向基准气体室43流入、以及气体从基准气体室43流出均得以抑制。然而，如上所述，在通常控制中对各传感器单元80、81、82、83中的电压V0、V1、V2、Vref进行检测。在其电压测定时，通过电位计等电压测定电路，在各传感器单元80、81、82、83流通有微小的电流。可以认为：通过这些电流，在电化学方面，氧被吸入至基准气体室43，或者氧从基准气体室43被吸出。其结果，基准气体室43内的基准气体中的氧浓度能够变化。本发明的气体传感器能够对这样的基准气体中的氧浓度的变化进行诊断，并能够根据需要进行校正(诊断校正处理)。因此，能够抑制被测定气体中的NOx浓度的检测精度降低，从而维持较高的测定精度。
(诊断校正处理)
以下，对本发明的气体传感器所实施的诊断校正处理详细地进行说明。
在气体传感器100中，诊断部94对由基准气体中的氧浓度的变化所带来的基准电极42的基准电位的变化进行诊断。而且，能够基于诊断结果来进行基准电位的校正。因此，能够抑制被测定气体中的NOx浓度的检测精度降低。
在基准电极42的基准电位为规定值的标准时、与对基准电极42的基准电位进行诊断的诊断时之间，对空腔内电极与基准电极42之间的电压、和流通于泵单元(空腔内电极与空腔外电极之间)的电流的对应关系进行比较，由此来诊断出基准电位的偏离。作为对应关系，可以采用上述的电压电流曲线。或者，可以采用电压电流曲线的一部分。另外，或者可以采用电压电流曲线的一点。以下，对本实施方式具体地进行说明。
在本实施方式中，采用流通于测定用泵单元41(测定电极44与外侧泵电极23之间)的泵电流Ip2、和测定电极44与基准电极42之间的电压V2的对应关系，来诊断出基准电位的偏离。
图5是表示诊断时电压电流曲线相对于标准电压电流曲线的偏离的一例的示意图。在图5中，横轴为电压V2[V]，纵轴为泵电流Ip2[A]。在诊断时，基准电极42的基准电位已偏离标准时的基准电位的情况下，如图5所例示，电压电流曲线在横轴方向上移动。可以认为：基准电极42的基准电位的偏离大致为基准气体中的氧浓度的偏离。例如，如果基准气体中的氧浓度高于规定的浓度(例如大气相当的氧浓度)，则电压电流曲线向右移动。另外，例如，如果基准气体中的氧浓度低于规定的浓度，则电压电流曲线向左移动。图5表示在诊断时基准气体中的氧浓度高于规定的浓度的例子。应予说明，在图5中，为了方便说明，诊断时电压电流曲线示出了在与获得标准电压电流曲线时的被测定气体相同的组成的被测定气体中获得的情形，但不限于此。在标准时和诊断时，被测定气体中的氧浓度和/或NOx浓度可以不同。这种情况下，在电流电压曲线中，极限电流的电流值不同。亦即，在图5中，诊断时电压电流曲线和标准电压电流曲线在纵轴方向上发生偏离。
如果发生图5那样的电压电流曲线的移动，则有时会发生：通常控制中的设定值V2SET偏离极限电流区域而包含在欧姆区域中的情形。这种情况下，泵电流Ip2变为：小于应当与NOx浓度相对应地流通的极限电流的电流值，因此，NOx浓度的检测精度有可能降低。另外，同样地，可能发生：流通于主泵单元21的泵电流Ip0、以及流通于辅助泵电流51的泵电流Ip1也偏离极限电流区域的情形。其结果，有可能在导入到第三内部空腔61的被测定气体中包含比标准时多的氧O2。于是，NOx浓度的检测精度有可能降低。另外，如上所述，内侧主泵电极22及辅助泵电极51采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。然而，在基准电极42的基准电位偏离标准时的基准电位的情况下，可能发生：主泵单元21、辅助泵单元50中被施加的泵电压Vp0、Vp1过大的情形。这种情况下，在内侧主泵电极22和/或辅助泵电极51处，被测定气体中的NOx一部分被分解，NOx浓度的检测精度有可能降低。不过，通过进行以下说明的诊断校正处理，能够对基准电极42的基准电位进行校正，因此，能够抑制检测精度降低。
存储部93预先存储有标准电压电流曲线。例如，在制造工序中，进行上述的对应关系存储工序即可。或者，如上所述，在气体传感器100的使用中，以燃料断开时这样的氧浓度为已知的时机而确认到了基准电极42的基准电位为规定值时，可以获取标准电压电流曲线，且由存储部93进行存储。另外，可以在任意时机对标准电压电流曲线进行更新。
存储部93只要至少将与诊断时诊断部94待获得的诊断时对应关系同样的对应关系作为标准对应关系而预先存储即可。例如，存储部93可以存储有电动势V2或者泵电流Ip2为规定的范围的标准电压电流曲线。不需要包含上述的欧姆区域、极限电流区域及H2O分解区域的全部，可以存储有电压电流曲线中的一部分区域。或者，可以存储有电压电流曲线上的规定的一点。
在存储部93存储有标准电压电流曲线等标准对应关系的状态下，诊断部94实施诊断校正处理。图6是表示诊断校正处理的一例的流程图。诊断校正处理可以在任意时机进行。例如，可以每隔规定时间(每隔50小时、每隔100小时等)进行。另外，例如可以在操作人员输入了诊断校正处理的开始指令时进行。另外，例如可以在气体传感器100启动时等规定的事件时进行。
当开始进行诊断校正处理时，驱动控制部92停止通常控制(步骤S10)。具体而言，停止：以使得电压V0达到设定值V0SET的方式对主泵单元21的泵电压Vp0进行反馈的控制、以使得电压V1达到设定值V1SET的方式对辅助泵单元50的泵电压Vp1进行反馈的控制、以及以使得电压V2达到设定值V2SET的方式对测定用泵单元41的泵电压Vp2进行反馈的控制等全部泵控制。即，设为利用加热器72而将传感器元件101的温度保持为规定的温度且未进行除此以外的控制的状态。因此，在诊断校正处理的执行中，被测定气体中的NOx浓度的测定被中断。
接下来，诊断部94向测定用泵单元41施加泵电压Vp2，以规定的范围来扫描(Sweep)泵电压Vp2(步骤S11)。而且，获得流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2和测定电极44与基准电极42之间的电压V2的诊断时电压电流曲线(V2－Ip2曲线)(步骤S12)。
诊断部94从存储部93读取标准电压电流曲线。而且，将步骤S12中获得的诊断时电压电流曲线与标准电压电流曲线进行比较，计算出电压V2的偏离ΔV2(步骤S13)。如上所述，当基准电极42的基准电位偏离标准时的基准电位时，诊断时电压电流曲线在横轴方向上移动。亦即，电压V2的偏离ΔV2大致与基准电极42的基准电位的偏离相当。诊断时的基准电极42的基准电位与标准时的基准电极42的基准电位相比较，有可能向正负中的任一方向偏离。因此，电压V2的偏离ΔV2也可以取正负中的任一值。
而且，基于电压V2的偏离ΔV2，对基准电极42的基准电位的偏离进行校正(步骤S14)。
之后，诊断部94使驱动控制部92重启通常驱动(步骤S15)。而且，结束诊断校正处理。
作为诊断时对应关系，步骤S12中获得的诊断时电压电流曲线可以为：图5所示的诊断时电压电流曲线的一例的大致整个区域，也可以为一部分或一点。例如，诊断部94可以获得电动势V2或者泵电流Ip2为规定的范围的诊断时电压电流曲线。不需要包含上述的欧姆区域、极限电流区域及H2O分解区域的全部，可以获得电压电流曲线中的一部分区域。或者，可以获得电压电流曲线上的规定的一点。
例如，在电压电流曲线的欧姆区域中，可以采用泵电流Ip2达到规定的电流值时的电压V2(ohmic)，对基准电极42的基准电位的偏离进行诊断。即，存储部93预先存储有：在基准电极42的基准电位为规定值的标准时的流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2、和测定电极44与基准电极42之间的电压V2的关系为线形的欧姆区域中，泵电流Ip2达到规定的电流值时的测定电极44与基准电极42之间的标准电压V2(ohmic)a，来作为所述标准对应关系。
诊断部94可以在步骤S12中获得泵电流Ip2达到所述规定的电流值时的测定电极44与基准电极42之间的诊断时电压V2(ohmic)b，来作为所述诊断时对应关系，在步骤S13中，对所获得的所述诊断时电压V2(ohmic)b、和所述存储部93已预先存储的所述标准电压V2(ohmic)a进行比较，来诊断出基准电极42诊断时的基准电位相对于标准时的所述规定值的偏离。这种情况下，诊断时电压V2(ohmic)b相对于标准电压V2(ohmic)a的偏离ΔV2(ohmic)(＝V2(ohmic)b－V2(ohmic)a)与基准电极42的基准电位的偏离大致相当。
应予说明，泵电流Ip2的所述规定的电流值在欧姆区域的范围内即可，可以为正负中的任一值。即，可以为从测定电极44的周边吸出氧的正的朝向，也可以为向测定电极44的周边吸入氧的负的朝向。另外，例如泵电流Ip2的所述规定的电流值可以为零或其附近的值。
另外，例如可以采用电压电流曲线的H2O分解区域的开始点或其附近的电压V2(H2O)，对基准电极42的基准电位的偏离进行诊断。即，存储部93预先存储有：在基准电极42的基准电位为规定值的标准时的测定电极44处水(H2O)开始分解时的测定电极44与基准电极42之间的标准电压V2(H2O)a，来作为所述标准对应关系。
诊断部94可以在步骤S12中获取在测定电极44处水(H2O)开始分解时的测定电极44与基准电极42之间的诊断时电压V2(H2O)b，来作为所述诊断时对应关系，在步骤S13中，对所获得的所述诊断时电压V2(H2O)b和所述存储部93已预先存储的所述标准电压V2(H2O)a进行比较，来诊断出基准电极42诊断时的基准电位相对于标准时的所述规定值的偏离。这种情况下，诊断时电压V2(H2O)b相对于标准电压V2(H2O)a的偏离ΔV2(H2O)(＝V2(H2O)b－V2(H2O)a)与基准电极42的基准电位的偏离大致相当。例如，既可以将电压电流曲线中的极限电流区域与H2O分解区域之间的拐点设为水(H2O)的分解开始点，也可以将泵电流Ip2相对于电压V2的变化率达到规定值以上的点设为水(H2O)的分解开始点。另外，不限于测定电极44处水(H2O)开始分解时，可以采用规定的量/比例的H2O分解时的电压V2(H2O)进行诊断。
另外，例如可以采用电压电流曲线的极限电流区域的开始点或其附近的电压V2(limit)，对基准电极42的基准电位的偏离进行诊断。即，存储部93预先存储有：基准电极42的基准电位为规定值的标准时的流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2达到极限电流时(极限电流区域的开始点)的标准电压V2(limit)a，来作为所述标准对应关系。
诊断部94可以在步骤S12中获得流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2达到极限电流时的测定电极44与基准电极42之间的诊断时电压V2(limit)b，来作为所述诊断时对应关系，在步骤S13中，对所获得的所述诊断时电压V2(limit)b和所述存储部93已预先存储的所述标准电压V2(limit)a进行比较，来诊断出基准电极42诊断时的基准电位相对于标准时的所述规定值的偏离。这种情况下，诊断时电压V2(limit)b相对于标准电压V2(limit)a的偏离ΔV2(limit)(＝V2(limit)b－V2(limit)a)、与基准电极42的基准电位的偏离大致相当。例如，既可以将电压电流曲线中的欧姆区域与极限电流区域之间的拐点设为极限电流区域的开始点，也可以将泵电流Ip2相对于电压V2的变化率达到规定值以下的点设为极限电流的开始点。
作为诊断时对应关系，采用如上所述的诊断时电压V2(ohmic)b、V2(H2O)b或者V2(limit)b的情形与采用整个电压电流曲线的情形相比，在步骤S11中，能够使扫描(Sweep)泵电压Vp2的范围变小，或者，不扫描泵电压Vp2而仅施加规定的电压就能得到诊断时电压，因此，能够使步骤S11的所需时间变短。其结果，能够以更短的时间完成诊断校正处理，所以，在气体传感器100的使用中，能够使不测定被测定气体中的NOx浓度的期间更短。另外，即便因气体传感器100的使用而导致测定电极44劣化的情况下，欧姆区域也不易受到其影响。因此，通过采用在电压电流曲线的欧姆区域中泵电流Ip2达到规定的电流值时的电压V2(ohmic)，能够更准确地诊断基准电极42的基准电位的偏离。
图7是表示基准电极42的基准电位的偏离校正的具体例的诊断校正处理的流程图。在图7中，对与图6相同的步骤标注相同的附图标记，故省略说明。
如图7所例示，例如，诊断部94可以基于所述基准电极42诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，来变更所述通常控制中的所述目标电压(设定值V2SET)，对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
这种情况下，诊断部94基于步骤S13中计算出的电压V2的偏离ΔV2、即基准电极42的基准电位的偏离，来变更通常控制中的测定用泵单元41的目标电压(设定值V2SET)(步骤S14a)。如上所述，电压V2的偏离ΔV2大致与基准电极42的基准电位的偏离相当。因此，在步骤S14a中，诊断部94可以进而变更通常控制中的辅助泵单元50的目标电压(设定值V1SET)。例如，如图5所例示，在诊断时电压电流曲线与标准时电压电流曲线相比向右移动的情况下，将目标电压(设定值V2SET和/或设定值V1SET)变更为大于标准时的目标电压的值即可。在诊断时电压电流曲线与标准时电压电流曲线相比向左移动的情况下，将目标电压(设定值V2SET和/或设定值V1SET)变更为小于标准时的目标电压的值即可。另外，例如，如果基准电极42的基准电位的偏离在不影响NOx浓度的检测精度的程度的规定的范围内，则可以不变更目标电压(设定值V2SET和/或设定值V1SET)，维持诊断校正处理前的目标电压。
另外，图8是表示基准电极42的基准电位的偏离校正的不同于图7的具体例的诊断校正处理的流程图。在图8中，与图7同样地，对与图6相同的步骤标注相同的附图标记，故省略说明。
如图8所示例示，例如，诊断部94可以基于所述基准电极42诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，向所述基准气体室43吸入氧、或者从所述基准气体室43吸出氧，对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
这种情况下，诊断部94基于步骤S13中计算出的电压V2的偏离ΔV2、即基准电极42的基准电位的偏离，来确定朝向基准气体室43的氧吸入量或来自基准气体室43的氧吸出量(步骤S14b)。例如，如图5所例示，在诊断时电压电流曲线与标准时电压电流曲线相比向右移动的情况下，可以认为：在诊断时基准电极42的基准电位高于标准时的规定值。即，可以认为：在诊断时基准气体中的氧浓度高于标准时的基准气体中的氧浓度。因此，进行以降低基准电极42的基准电位、亦即使基准气体中的氧浓度降低的方式从基准气体室43吸出氧的校正即可。在诊断时电压电流曲线与标准时电压电流曲线相比向左移动的情况下，进行以提高基准电极42的基准电位、亦即使基准气体中的氧浓度提高的方式向基准气体室43吸入氧的校正即可。
诊断部94根据所确定的所述氧吸入量或所述氧吸出量，执行向基准气体室43吸入氧或从基准气体室43吸出氧(步骤S14c)。具体而言，利用电源电路85向基准气体调整泵单元84施加泵电压Vp3，使泵电流Ip3流通。另外，或者，诊断部94可以基于所确定的所述氧的吸入量或吸出量，设定或者变更：通常控制中的氧吸入控制的氧吸出量或进行氧吸出控制时的氧吸出量，以此代替步骤S14c。这种情况下，在诊断校正处理结束后，通常控制中，基准电极42的基准电位的偏离得以校正。
另外，诊断部94可以将上述的目标电压(设定值V2SET和/或设定值V1SET)的变更、和来自基准气体室43的氧吸出量/朝向基准气体室的氧吸入量的确定这两者组合进行。
本实施方式的气体传感器100可以如上所述诊断基准电极42的基准电位的偏离，另外，可以根据需要进行校正。在像上述的诊断校正处理那样而采用电压电流曲线那样的电压和电流的对应关系来诊断基准电极42的基准电位的偏离的情况下，与上述的制造工序中的氧浓度确认工序不同，不需要被测定气体中的氧浓度为已知。因此，不限于被测定气体中的氧浓度、NOx浓度为已知的情形，另外，无论它们的浓度如何，都可以在气体传感器100的使用中的任意时机诊断基准电极42的基准电位的偏离。另外，可以基于其诊断结果，对基准电极42的基准电位的偏离进行校正。因此，能够抑制被测定气体中的NOx浓度的检测精度降低，从而维持较高的测定精度。
以上，作为本发明的实施方式的例子，给出了对被测定气体中的NOx浓度进行检测的气体传感器100，不过，本发明不限于该方式。在本发明中，如果是实现抑制被测定气体中的测定对象气体的检测精度降低且维持较高的检测精度的本发明的目的的范围，则可以包括各种方式的气体传感器。
上述的实施方式中，在诊断校正处理的步骤S10中，停止了全部的泵控制，但不限于此。例如，驱动控制部92可以在继续进行下述的控制的状态下，仅停止以使得电压V2达到设定值V2SET的方式对测定用泵单元41的泵电压Vp2进行反馈的控制，即：以使得电压V0达到设定值V0SET的方式对主泵单元21的泵电压Vp0进行反馈的控制、以使得电压V1达到设定值V1SET的方式对辅助泵单元50的泵电压Vp1进行反馈的控制。
这种情况下，通过主泵单元21和辅助泵单元50的动作，使得氧分压(氧浓度)保持在规定的较低值的被测定气体到达测定电极44。因此，在重启通常控制(步骤S15)时，测定电极44周边的气体气氛稳定所需的时间较短，因此，在诊断校正处理结束后能够更快且准确地测定被测定气体中的NOx浓度。另外，在主泵单元21和辅助泵单元50进行动作的情况下，测定电极44的周边几乎不存在氧O2，不过，存在有：被测定气体中原本就存在的NOx。被测定气体中的O2浓度能够以0％～21％左右(大气)的范围变化，另一方面，可以认为NOx浓度通常为0～5000ppm左右。因此，关于诊断时的测定电极44周边的气体气氛，与停止全部的泵控制的情形相比，每次诊断的变化较小，与标准时之差也较小。所以，在诊断时能够更准确地检测基准电极42的基准电位相对于标准时的基准电位的偏离。
应予说明，在诊断部94获得仅停止了测定用泵单元41的控制时的诊断时对应关系的情况下，存储部93预先存储有：仅停止了测定用泵单元41的控制时的标准时对应关系。
另外，上述的实施方式中，在诊断校正处理的步骤S11中，向测定用泵单元41施加泵电压Vp2，并以规定的范围来扫描(Sweep)泵电压Vp2，但不限于此。例如，诊断部94可以利用电流源以规定的范围来扫描(Sweep)泵电流Ip2，对测定电极44与基准电极42之间的电压V2进行检测，从而获得V2－Ip2曲线。
另外，上述的实施方式中，采用了测定电极44与基准电极42之间的电压电流曲线(V2－Ip2曲线)来进行诊断校正处理，但不限于此。也可以采用内侧主泵电极21与基准电极42之间的电压电流曲线(V0－Ip0曲线)、辅助泵电极51与基准电极42之间的电压电流曲线(V1－Ip1曲线)。应予说明，在这些情况下，像上述的诊断校正处理的步骤S10那样停止全部的泵控制即可。
上述的实施方式中，基准气体室43为：在所述基体部102的内部封闭的空间，但不限于此。例如，可以为：基准气体室43的内部的整体或一部分由氧化铝等多孔质体充满的构成。
另外，例如基准气体室可以像图9所示的传感器元件201那样形成为多孔体的基准气体导入层48。传感器元件201中，在第三基板层3的上表面与第一固体电解质层4的下表面之间以将基准电极42被覆的方式设置有基准气体导入层48。基准气体导入层48为：例如由氧化铝等陶瓷形成的多孔质体。基准气体导入层48的后端面在传感器元件201的后端面露出。另外，图9的传感器元件201具备压力释放孔75。压力释放孔75贯穿第三基板层3，且以使得加热器绝缘层74和基准气体室的基准气体导入层48连通的方式形成。通过压力释放孔75，使得加热器绝缘层74内的温度上升所伴随的内压上升能够得到缓和。图9的传感器元件201的其他构成与图2中说明的构成大致相同。在传感器元件201与图1同样地嵌入于气体传感器100时，基准气体导入层48的后端面在图1中的空间149内露出(参照图1)。并且，基准气体从空间149内被导入到基准气体导入层48。这种情况下，基准气体为图1中的空间149内的气氛气体(例如大气)。
另外，例如基准气体室可以像图10所示的传感器元件301那样形成为：在基体部102的后端呈开口的空间。传感器元件301中，在第三基板层3的上表面与第一固体电解质层4的下表面之间以将基准电极42被覆的方式设置有基准气体导入层348。并且，在比基准电极42靠向后方的位置、第三基板层3的上表面与隔离层5的下表面之间且是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343。基准气体导入空间343在传感器元件301的后端部具有开口部。另外，图10的传感器元件301与图9的传感器元件201同样地具备压力释放孔75。图10的传感器元件301的其他构成与图2中说明的构成大致相同。在传感器元件301与图1同样地嵌入于气体传感器100时，基准气体导入空间343的开口部在图1中的空间149内露出(参照图1)。并且，基准气体从空间149内导入到基准气体导入空间343。这种情况下，基准气体为：图1中的空间149内的气氛气体(例如大气)。导入至基准气体导入空间343的基准气体通过基准气体导入层348而到达基准电极42。
在传感器元件201及传感器元件301中，形成为：从外部空间向基准电极42导入基准气体的结构。在包括这样的传感器元件的气体传感器中，在被测定气体的压力暂时升高的情形等，有时基准气体中的氧浓度因被测定气体的少量流入而降低。另外，将气体传感器在高温环境下使用的情况下，有时因橡胶塞157暴露于高温发生熔损而产生气体或附着于外筒148的油分因高温而与氧发生反应，从而导致基准气体中的氧浓度降低。即便这种情况下，通过诊断校正处理，也能够抑制被测定气体中的NOx浓度的检测精度降低，从而维持较高的测定精度。
另外，在从外部空间向基准电极42导入基准气体的结构的气体传感器中，在通常控制中，优选利用电源电路85向基准气体调整泵单元84施加泵电压Vp3而使泵电流Ip3流通，来进行向基准气体室43吸入氧的氧吸入控制。在进行氧吸入控制的情况下，例如诊断校正处理中，可以基于基准电极42的基准电位的偏离，来变更通常控制中的氧吸入控制的氧吸入量。
另外，上述的实施方式的传感器元件101中，可以进一步具备：对加热器绝缘层74内的温度上升所伴随的内压上升进行缓和的压力释放孔。这种情况下，与图9及图10所示的压力释放孔75不同，其不与基准气体室43连通，以使得加热器绝缘层74和传感器元件101的外部空间连通的方式形成即可。
在上述的实施方式的气体传感器100中，如图2所示，传感器元件101的结构为：具备第一内部空腔20、第二内部空腔40及第三内部空腔61这3个内部空腔，在各内部空腔分别配置有内侧主泵电极22、辅助泵电极51及测定电极44，但不限于此。例如，可以为如下结构，即，具备第一内部空腔20及第二内部空腔40这2个内部空腔，在第一内部空腔20配置有内侧主泵电极22，在第二内部空腔40分别配置有辅助泵电极51及测定电极44。这种情况下，例如，作为辅助泵电极51与测定电极44之间的扩散速度控制部，可以形成将测定电极44覆盖的多孔体保护层。
在上述的实施方式的气体传感器100中，外侧泵电极23兼有：主泵单元21的外侧主泵电极、辅助泵单元50的外侧辅助泵电极、测定用泵单元41的外侧测定电极这3个电极的功能，但不限于此。例如，外侧主泵电极、外侧辅助泵电极及外侧测定电极可以分别形成为其他电极。例如，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一者以上设置为：有别于外侧泵电极23而另行在基体部102的外表面与被测定气体接触。或者，基准电极44可以兼用作：外侧主泵电极、外侧辅助泵电极及外侧测定电极中的任一者以上。不过，在将基准电极42用作外侧主泵电极、外侧辅助泵电极及外侧测定电极中的任一者以上的情况下，由于可能使基准气体室43内的基准气体中的氧浓度发生变化，所以，应当留意以实质上不对测定精度带来影响的范围来使用。
在上述的实施方式中，气体传感器100对被测定气体中的NOx浓度进行了检测，不过，测定对象气体不限于NOx。气体传感器100的传感器元件只要为：采用了氧离子传导性固体电解质的构成即可。测定对象气体可以为例如除氧O2或NOx以外的其他氧化物气体(例如二氧化碳CO2、水H2O等)。或者，可以为氨NH3等非氧化物气体。在测定对象气体为非氧化物气体的情况下，将非氧化物气体转化为氧化物气体(例如在氨NH3的情况下，将其转化为NO)，包含转化得到的氧化物气体的被测定气体被导入于第三内部空腔61。在测定电极44处，被测定气体中的转化得到的氧化物气体被还原而生成氧。可以获得所生成的氧作为测定用泵单元41的泵电流Ip2而对测定对象气体进行检测。可以通过内侧主泵电极22及辅助泵电极51中的至少任一者作为催化剂发挥作用，而将非氧化物气体转化为氧化物气体。
如上所述，根据本发明，不限于被测定气体中的氧浓度为已知的情形，另外，无论氧浓度如何，都能够在气体传感器的使用中的任意时机诊断基准电极的基准电位的偏离。即，可以诊断出基准电极周围的基准气体中的氧浓度的偏离。另外，基于其诊断结果，能够对基准电极的基准电位的偏离、即基准气体中的氧浓度的偏离进行校正。其结果，能够抑制被测定气体中的测定对象气体的检测精度降低，从而维持较高的检测精度。

Claims (8)

1.一种对被测定气体中的测定对象气体进行检测的气体传感器，其包括传感器元件、和对所述传感器元件进行控制的控制装置，
所述气体传感器的特征在于，
所述传感器元件具备：
长条板状的基体部，该基体部包括氧离子传导性的固体电解质层；
被测定气体流通空腔，该被测定气体流通空腔自所述基体部的长度方向上的一个端部形成；
泵单元，该泵单元包括在所述被测定气体流通空腔内配设的空腔内电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述空腔内电极相对应的空腔外电极；
基准气体室，该基准气体室与所述被测定气体流通空腔隔离地形成在所述基体部的内部；以及
基准电极，该基准电极配设在所述基准气体室内，
所述控制装置具备：
驱动控制部，该驱动控制部进行使所述泵单元动作而对被测定气体中的测定对象气体进行检测的通常控制；
存储部，该存储部预先存储有所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准对应关系；以及
诊断部，该诊断部获得对所述基准电极的基准电位进行诊断的诊断时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时对应关系，对所获得的所述诊断时对应关系和所述存储部已预先存储的所述标准对应关系进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有：所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的标准电压电流曲线，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部以规定的范围来扫描针对所述泵单元的施加电压，获得所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的诊断时电压电流曲线，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压电流曲线和所述存储部已预先存储的所述标准电压电流曲线进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有：在所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的电压、和流通于所述泵单元的电流的关系为线形的欧姆区域中所述电流达到规定的电流值时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得：所述电流达到所述规定的电流值时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有：在所述基准电极的基准电位为规定值的标准时的所述空腔内电极处水(H2O)开始分解时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得：在所述空腔内电极处水(H2O)开始分解时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
5.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述存储部预先存储有：流通于所述泵单元的电流达到极限电流时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的标准电压，来作为所述标准对应关系，
所述诊断部获得：流通于所述泵单元的电流达到极限电流时的所述空腔内电极与所述基准电极之间的诊断时电压，来作为所述诊断时对应关系，并对所获得的所述诊断时电压和所述存储部已预先存储的所述标准电压进行比较，来诊断出所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的偏离。
6.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述传感器元件具备测定用泵单元，该测定用泵单元包括：在所述被测定气体流通空腔内配设的内侧测定电极、以及在所述基体部的不同于所述被测定气体流通空腔的位置配设的且与所述内侧测定电极相对应的外侧测定电极，
所述控制部在所述通常控制中以使得所述内侧测定电极与所述基准电极之间的电压达到目标电压的方式使电流流通于所述测定用泵单元，根据所述电流的值，对被测定气体中的测定对象气体的浓度进行测定，
所述诊断部还基于所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，来变更所述通常控制中的所述目标电压，对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
7.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述诊断部还基于所述基准电极诊断时的基准电位相对于所述标准时的所述规定值的所述偏离，向所述基准气体室吸入氧，或者从所述基准气体室吸出氧，对相对于所述规定值的所述偏离进行校正。
8.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述基准气体室为：在所述基体部的内部封闭的空间。
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