CN117917566A - 气体传感器 - Google Patents

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渡边悠介
市川大智
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Abstract

本发明提供一种气体传感器，其对被测定气体中的特定气体浓度和水浓度进行检测。气体传感器具备传感器元件和控制装置。传感器元件具备：元件主体；测定用泵单元，其包括测定电极；辅助泵单元，其包括辅助泵电极；以及基准电极。控制装置进行以使得基准电极与辅助泵电极之间的电压达到目标值(V1＊)的方式控制辅助泵单元的调整用泵控制处理。控制装置进行以使得基准电极与测定电极之间的电压达到目标值(V2＊)的方式控制测定用泵单元的测定用泵控制处理。控制装置基于泵电流而对特定气体浓度进行检测。控制装置进行基于使目标值(V1＊)和目标值(V2＊)中的至少一者变化时泵电流的变化而对被测定气体中的水浓度进行检测的水浓度检测处理。

Description

气体传感器
技术领域
本发明涉及气体传感器。
背景技术
以往，已知有对汽车的尾气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度进行检测的气体传感器。例如，专利文献1中记载一种气体传感器，该气体传感器具备：元件主体，其包括氧离子传导性的固体电解质层且内部设置有供被测定气体导入并使其流通的被测定气体流通部；以及多个电极，它们配设于元件主体。利用该气体传感器对NOx的浓度进行检测的情况下，首先，在被测定气体流通部中的氧浓度调整室与传感器元件的外部之间进行氧的吸出或吸入，对氧浓度调整室的氧浓度进行调整。氧浓度经调整后的被测定气体到达在被测定气体流通部中的氧浓度调整室的下游侧所设置的测定室。在测定室中，被测定气体中的NOx在配设于测定室的测定电极的周围被还原。然后，以使得在测定电极与基准电极之间产生的电压V2达到规定的目标值的方式对测定用泵单元进行反馈控制，将测定电极周围的氧吸出。基于此时流通的泵电流Ip2，对被测定气体中的NOx的浓度进行检测。
另外，还已知有对被测定气体中的水进行检测的气体传感器。例如，专利文献2中记载的气体传感器对在一对第一电极间产生以被测定气体中的水分实质上不会解离的范围设定的第一电压的状态下流通于一对第二电极间的第一电流进行检测。另外，该气体传感器对在一对第一电极间产生以被测定气体中的水分解离的范围设定的第二电压的状态下流通于一对第二电极间的第二电流进行检测。然后，基于第一电流和第二电流，对被测定气体的湿度进行检测。专利文献3中记载的气体传感器以使得传感器元件的第一内部空腔中被测定气体中的水蒸汽成分和二氧化碳成分实质上全部被分解的方式对第一内部空腔的氧分压进行调整。然后，以使得由水蒸汽成分的分解而生成的氢在第二内部空腔内选择性地燃烧的方式通过第一测定用电化学泵送单元而向第二内部空腔供给氧，基于此时流通的电流的大小，确定被测定气体中存在的水蒸汽成分的浓度。另外，该气体传感器以使得由二氧化碳成分的分解生成的一氧化碳选择性地燃烧的方式通过第二测定用电化学泵送单元而向第二测定用内侧电极的表面供给氧，基于此时流通的电流的大小，确定被测定气体中存在的二氧化碳成分的浓度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2022-091669号公报
专利文献2：日本特许第5021697号
专利文献3：日本特许第5918177号
发明内容
不过，针对专利文献1中记载的气体传感器，也希望不仅检测特定气体浓度还检测水浓度。但是，专利文献2的气体传感器的传感器元件不具备专利文献1中记载的氧浓度调整室和测定室，专利文献1和专利文献2中，传感器元件的结构不同。另外，专利文献3的气体传感器基于向传感器元件的内部吸入氧时的电流而对水蒸汽成分的浓度及二氧化碳成分的浓度进行检测，未记载像专利文献1那样基于将测定室的氧吸出时的电流而对特定气体浓度进行检测，专利文献1和专利文献3中，特定气体浓度的检测方法不同。因此，对于像专利文献1那样具备氧浓度调整室和测定室且基于从测定室吸出氧时的泵电流而对特定气体浓度进行检测的气体传感器，不知道进一步对被测定气体中的水浓度进行检测的方法。
本发明是为了解决上述课题而实施的，其主要目的在于，对被测定气体中的特定气体浓度和水浓度进行检测。
本发明为了达成上述的主要目的而采用以下的手段。
[1]本发明的气体传感器具备传感器元件和控制装置，
所述传感器元件具有：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且内部设置有供被测定气体导入并使其流通的被测定气体流通部；
测定用泵单元，该测定用泵单元构成为包括在所述被测定气体流通部中的测定室所配设的内侧测定电极，将所述测定室的氧向所述元件主体的外部吸出；
调整用泵单元，该调整用泵单元构成为包括在所述被测定气体流通部中的位于比所述测定室靠上游的位置的氧浓度调整室所配设的内侧调整电极，调整所述氧浓度调整室的氧浓度；以及
基准电极，该基准电极以与作为所述被测定气体中的特定气体的浓度、即特定气体浓度的检测基准的基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部，
所述控制装置进行调整用泵控制处理和测定用泵控制处理，在该调整用泵控制处理中，以使得所述基准电极与所述内侧调整电极之间的电压、即调整用电压达到调整用电压目标值的方式控制所述调整用泵单元来调整所述氧浓度调整室的氧浓度，在该测定用泵控制处理中，以使得所述基准电极与所述内侧测定电极之间的电压、即测定用电压达到测定用电压目标值的方式控制所述测定用泵单元而将所述测定室的氧吸出，
所述控制装置基于因所述测定用泵控制处理而流通于所述测定用泵单元的测定用泵电流，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行检测，
所述控制装置进行水浓度检测处理，在该水浓度检测处理中，基于使所述调整用电压目标值和所述测定用电压目标值中的至少一者发生变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化，对所述被测定气体中的水浓度进行检测。
该气体传感器中，控制装置进行以使得基准电极与内侧调整电极之间的电压、即调整用电压达到调整用电压目标值的方式对调整用泵单元进行控制而调整氧浓度调整室的氧浓度的调整用泵控制处理。另外，控制装置进行以使得基准电极与内侧测定电极之间的电压、即测定用电压达到测定用电压目标值的方式对测定用泵单元进行控制而将测定室的氧吸出的测定用泵控制处理。并且，控制装置基于因测定用泵控制处理而流通于测定用泵单元的测定用泵电流，对被测定气体中的特定气体浓度进行检测。另外，控制装置进行基于使调整用电压目标值和测定用电压目标值中的至少一者发生变化时的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理的执行中流通的测定用泵电流的变化而对被测定气体中的水浓度进行检测的水浓度检测处理。在此，本发明的发明人发现：使调整用电压目标值和测定用电压目标值中的至少一者发生变化时的测定用泵电流的变化与被测定气体中的水浓度具有相关性。因此，能够基于该测定用泵电流的变化而对被测定气体中的水浓度进行检测。由此可知，本发明的气体传感器能够对被测定气体中的特定气体浓度和水浓度进行检测。
[2]在上述的气体传感器(上述[1]所述的气体传感器)的基础上，可以为：所述控制装置在所述水浓度检测处理中使所述调整用电压目标值的绝对值变为较小值且使所述测定用电压目标值的绝对值变为较大值，或者使所述调整用电压目标值的绝对值变为较大值且使所述测定用电压目标值的绝对值变为较小值。据此，即便调整用电压目标值和测定用电压目标值各自的变化量较小，由于由被测定气体中的水所引起的测定用泵电流的变化比较大，所以，也容易检测水浓度。
[3]在上述的气体传感器(上述[1]或[2]所述的气体传感器)的基础上，可以为：所述氧浓度调整室具有：第一内部空腔、以及设置为比该第一内部空腔靠下游且比所述测定室靠上游的第二内部空腔，所述调整用泵单元具有：对所述第一内部空腔的氧浓度进行调整的主泵单元、以及对所述第二内部空腔的氧浓度进行调整的辅助泵单元，所述内侧调整电极为配设于所述第二内部空腔且构成所述辅助泵单元的一部分的内侧辅助泵电极，所述调整用泵控制处理包括：控制所述主泵单元而对所述第一内部空腔的氧浓度进行调整的主泵控制处理、以及以使得所述调整用电压达到所述调整用电压目标值的方式控制所述辅助泵单元的辅助泵控制处理。
[4]在上述的气体传感器(上述[1]～[3]中的任一项所述的气体传感器)的基础上，可以为：所述控制装置基于所述水浓度检测处理中检测出的所述被测定气体中的水浓度，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行校正。此处，即便被测定气体中的特定气体浓度相同，测定用泵电流也有时与被测定气体中的水浓度相应地发生变化。于是，通过基于检测出的水浓度对特定气体浓度进行校正，使得特定气体浓度的检测精度提高。
[5]在上述的气体传感器(上述[1]～[4]中的任一项所述的气体传感器)的基础上，可以为：所述控制装置进行气体温度检测处理，在该气体温度检测处理中，基于使所述调整用电压目标值变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化和使所述测定用电压目标值变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化，对所述被测定气体的气体温度进行检测。在此，本发明的发明人发现：如果将使调整用电压目标值变化时的测定用泵电流的变化和使测定用电压目标值变化时的测定用泵电流的变化进行比较，前者不易受到被测定气体的气体温度的影响。因此，利用该发现，基于前者和后者，能够检测被测定气体的气体温度。这种情况下，所述控制装置优选在所述水浓度检测处理中基于使所述调整用电压目标值变化时的所述测定用泵电流的变化而对所述被测定气体中的水浓度进行检测。
[6]在上述的气体传感器(上述[5]所述的气体传感器)的基础上，可以为：所述控制装置基于所述水浓度检测处理中检测出的水浓度以及所述气体温度检测处理中检测出的气体温度，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行校正。此处，即便被测定气体中的特定气体浓度相同，测定用泵电流也有时与被测定气体中的水浓度及气体温度相应地进行变化。于是，通过基于检测出的水浓度及检测出的气体温度对基于测定用泵电流而得到的特定气体浓度进行校正，使得特定气体浓度的检测精度提高。
附图说明
图1是概要地示出气体传感器100的结构的一例的截面示意图。
图2是示出控制装置95与各单元及加热器72之间的电连接关系的框图。
图3是示出目标值V1＊、水浓度以及泵电流Ip2的关系的图表。
图4是示出水浓度与偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率的关系的图表。
图5是示出目标值V2＊、水浓度以及泵电流Ip2的关系的图表。
图6是示出水浓度与偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率的关系的图表。
图7是示出控制例程的一例的流程图。
图8是示出水浓度、偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率以及气体温度的关系的概念图。
图9是示出水浓度、气体温度以及偏置电流Ip2offset的关系的概念图。
图10是变形例的传感器元件201的截面示意图。
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，20…第一内部空腔，21…主泵单元，22…内侧泵电极，22a…顶部电极部，22b…底部电极部，23…外侧泵电极，24…可变电源，30…第三扩散速度控制部，40…第二内部空腔，41…测定用泵单元，42…基准电极，43…基准气体导入空间，44…测定电极，45…第四扩散速度控制部，46…可变电源，48…基准气体导入层，50…辅助泵单元，51…辅助泵电极，51a…顶部电极部，51b…底部电极部，52…可变电源，60…第四扩散速度控制部，61…第三内部空腔，70…加热器部，71…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，76…加热器电源，80…主泵控制用氧分压检测传感器单元，81…辅助泵控制用氧分压检测传感器单元，82…测定用泵控制用氧分压检测传感器单元，83…传感器单元，95…控制装置，96…控制部，97…CPU，98…存储部，100…气体传感器，101、201…传感器元件。
具体实施方式
接下来，利用附图对本发明的实施方式进行说明。图1是概要地示出作为本发明的一个实施方式的气体传感器100的结构的一例的截面示意图。图2是示出控制装置95与各单元及加热器72之间的电连接关系的框图。该气体传感器100安装于例如内燃机的废气管等配管。气体传感器100以内燃机的废气为被测定气体而检测被测定气体中的NOx、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浓度而作为特定气体浓度。气体传感器100具备：传感器元件101，其呈长条的长方体形状；传感器元件101所具备的各单元21、41、50、80～83；加热器部70，其设置于传感器元件101的内部；以及控制装置95，其具有可变电源24、46、52及加热器电源76且对整个气体传感器100进行控制。
传感器元件101是具有在附图中自下侧开始按以下顺序层叠六个层而成的层叠体的元件，所述六个层是分别含有氧化锆(ZrO2)等氧离子传导性固体电解质的第一基板层1、第二基板层2、第三基板层3、第一固体电解质层4、隔离层5以及第二固体电解质层6。另外，形成这六个层的固体电解质是致密且气密性的固体电解质。例如以如下方式制造该传感器元件101，即，对与各层对应的陶瓷生片进行规定的加工及电路图案的印刷等，然后，对它们进行层叠，进而进行烧成而使它们实现一体化。
在传感器元件101的前端部侧(图1的左端部侧)、且是在第二固体电解质层6的下表面与第一固体电解质层4的上表面之间，气体导入口10、第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30、第二内部空腔40、第四扩散速度控制部60以及第三内部空腔61以按该顺序连通的方式而相邻地形成。
气体导入口10、缓冲空间12、第一内部空腔20、第二内部空腔40以及第三内部空腔61是以将隔离层5挖穿的方式而设置的传感器元件101内部的空间，其中，该空间的上部由第二固体电解质层6的下表面区划形成，该空间的下部由第一固体电解质层4的上表面区划形成，该空间的侧部由隔离层5的侧面区划形成。
第一扩散速度控制部11、第二扩散速度控制部13以及第三扩散速度控制部30均设置成2条横长的(开口的长度方向是与附图垂直的方向)狭缝。另外，第四扩散速度控制部60设置成：作为与第二固体电解质层6的下表面之间的间隙而形成的1条横长的(开口的长度方向是与附图垂直的方向)狭缝。此外，还将从气体导入口10至第三内部空腔61的部位称为被测定气体流通部。
另外，在比被测定气体流通部远离前端侧的位置，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的侧面区划形成的位置设置有基准气体导入空间43。例如，大气作为进行NOx浓度测定时的基准气体而导入至基准气体导入空间43。
基准气体导入层48是由多孔质陶瓷构成的层，基准气体通过基准气体导入空间43而导入至基准气体导入层48。另外，基准气体导入层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连通的基准气体导入层48。另外，如后所述，可以利用基准电极42对第一内部空腔20内、第二内部空腔40内以及第三内部空腔61内的氧浓度(氧分压)进行测定。基准电极42形成为多孔质金属陶瓷电极(例如Pt与ZrO2的金属陶瓷电极)。
关于被测定气体流通部，气体导入口10是相对于外部空间而开口的部位，被测定气体通过该气体导入口10而从外部空间进入传感器元件101内。第一扩散速度控制部11是对从气体导入口10进入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。缓冲空间12是为了将从第一扩散速度控制部11导入的被测定气体向第二扩散速度控制部13引导而设置的空间。第二扩散速度控制部13是对从缓冲空间12向第一内部空腔20导入的被测定气体施加规定的扩散阻力的部位。在被测定气体从传感器元件101外部导入至第一内部空腔20内时，因外部空间中的被测定气体的压力变动(被测定气体为汽车的尾气的情况下，是排气压力的脉动)而从气体导入口10急剧地进入传感器元件101内部的被测定气体并未直接向第一内部空腔20导入，而是在通过第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13将被测定气体的压力变动消除之后再向第一内部空腔20导入。由此，向第一内部空腔20导入的被测定气体的压力变动达到几乎可以忽略的程度。第一内部空腔20设置成：用于对通过第二扩散速度控制部13而导入的被测定气体中的氧分压进行调整的空间。主泵单元21工作而调整该氧分压。
主泵单元21是由内侧泵电极22、外侧泵电极23、以及由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，内侧泵电极22具有设置于第二固体电解质层6下表面的面对第一内部空腔20的大致整面的顶部电极部22a，外侧泵电极23以在第二固体电解质层6的上表面的与顶部电极部22a对应的区域暴露于外部空间中的方式而设置。
内侧泵电极22形成为：跨越区划形成第一内部空腔20的上下的固体电解质层(第二固体电解质层6及第一固体电解质层4)、以及构成侧壁的隔离层5。具体而言，在构成第一内部空腔20顶面的第二固体电解质层6的下表面形成有顶部电极部22a，另外，在构成底面的第一固体电解质层4的上表面形成有底部电极部22b，并且，在构成第一内部空腔20的两个侧壁部的隔离层5的侧壁面(内表面)形成有侧部电极部(省略图示)，由此将上述顶部电极部22a和底部电极部22b连接而在该侧部电极部的配设部位配设成隧道形态的构造。
内侧泵电极22和外侧泵电极23形成为多孔质金属陶瓷电极(例如含有1％的Au的Pt与ZrO2的金属陶瓷电极)。应予说明，与被测定气体接触的内侧泵电极22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。
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，能够将第一内部空腔20内的氧向外部空间吸出、或者将外部空间的氧向第一内部空腔20吸入。
另外，为了对第一内部空腔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。
通过测定主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势(电压V0)而获知第一内部空腔20内的氧浓度(氧分压)。此外，以使得电压V0达到目标值的方式对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，由此控制泵电流Ip0。由此，能够将第一内部空腔20内的氧浓度保持为规定的恒定值。
第三扩散速度控制部30是下述部位：对在第一内部空腔20通过主泵单元21的动作而控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体施加规定的扩散阻力，由此将该被测定气体向第二内部空腔40引导。
第二内部空腔40设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第一内部空腔20调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第三扩散速度控制部30而导入的被测定气体，利用辅助泵单元50进一步进行氧分压的调整。由此，能够高精度地将第二内部空腔40内的氧浓度保持恒定，因此，该气体传感器100能够实现高精度的NOx浓度的测定。
辅助泵单元50是由辅助泵电极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外侧的适当电极即可)、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具有设置于第二固体电解质层6下表面的、面对第二内部空腔40的大致整体的顶部电极部51a。
该辅助泵电极51以与此前的设置于第一内部空腔20内的内侧泵电极22相同的隧道形态的构造而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形成有顶部电极部51a，另外，在构成第二内部空腔40底面的第一固体电解质层4形成有底部电极部51b，并且，将上述顶部电极部51a和底部电极部51b连结的侧部电极部(省略图示)分别形成于构成第二内部空腔40侧壁的隔离层5的两个壁面，由此形成隧道形态的构造。此外，与内侧泵电极22相同，辅助泵电极51也采用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。
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，由此能够将第二内部空腔40内的气氛中的氧向外部空间吸出、或者将氧从外部空间向第二内部空腔40内吸入。
另外，为了控制第二内部空腔40内的气氛中的氧分压，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，基于上述辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电动势(电压V1)而对该可变电源52的电压进行控制。由此，第二内部空腔40内的气氛中的氧分压被控制为：实质上对NOx的测定没有影响的较低的分压。
另外，与此同时，将其泵电流Ip1用于对主泵控制用氧分压检测传感器单元80的电动势的控制。具体而言，泵电流Ip1作为控制信号而输入至主泵控制用氧分压检测传感器单元80并对其电压V0的上述的目标值进行控制，由此将从第三扩散速度控制部30向第二内部空腔40内导入的被测定气体中的氧分压的梯度控制为始终恒定。在作为NOx传感器而使用时，通过主泵单元21和辅助泵单元50的作用而将第二内部空腔40内的氧浓度保持为约0.001ppm左右的恒定值。
第四扩散速度控制部60是如下部位：对在第二内部空腔40通过辅助泵单元50的动作而控制了氧浓度(氧分压)的被测定气体施加规定的扩散阻力，并将该被测定气体向第三内部空腔61引导。第四扩散速度控制部60承担限制向第三内部空腔61流入的NOx的量的作用。
第三内部空腔61设置成用于进行下述处理的空间：对于预先在第二内部空腔40中调整了氧浓度(氧分压)之后又通过第四扩散速度控制部60而导入的被测定气体，进行被测定气体中的氮氧化物(NOx)浓度的测定。主要在第三内部空腔61通过测定用泵单元41的动作而进行NOx浓度的测定。
测定用泵单元41在第三内部空腔61内进行被测定气体中的NOx浓度的测定。测定用泵单元41是由测定电极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上表面的、面对第三内部空腔61的位置。测定电极44是由与内侧泵电极22相比提高了针对被测定气体中的NOx成分的还原能力的材料构成的多孔质金属陶瓷电极。测定电极44还作为对第三内部空腔61内的气氛中存在的NOx进行还原的NOx还原催化剂而发挥作用。
关于测定用泵单元41，可以将因测定电极44周围的气氛中的氮氧化物分解而生成的氧吸出并作为泵电流Ip2而对其生成量进行检测。
另外，为了对测定电极44周围的氧分压进行检测，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。基于测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电动势(电压V2)而对可变电源46进行控制。
导入至第二内部空腔40内的被测定气体在氧分压被控制的状况下通过第四扩散速度控制部60而到达第三内部空腔61内的测定电极44。测定电极44周围的被测定气体中的氮氧化物被还原(2NO→N2+O2)而生成氧。并且，该生成的氧由测定用泵单元41进行泵送，此时，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(目标值)的方式对可变电源46的电压Vp2进行控制。在测定电极44周围生成的氧的量与被测定气体中的氮氧化物的浓度成正比例，因此，利用测定用泵单元41中的泵电流Ip2对被测定气体中的氮氧化物浓度进行计算。
另外，若对测定电极44、第一固体电解质层4、第三基板层3以及基准电极42进行组合而构成作为电化学传感器单元的氧分压检测机构，则能够检测出与测定电极44周围的气氛中的NOx成分还原而产生的氧的量和基准大气中含有的氧的量之差相应的电动势，由此还能够求出被测定气体中的NOx成分的浓度。
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，可以根据由该传感器单元83获得的电动势(电压Vref)而对传感器外部的被测定气体中的氧分压进行检测。
关于具有这样的结构的气体传感器100，使主泵单元21和辅助泵单元50工作而将氧分压始终保持为恒定的低值(实质上对NOx的测定没有影响的值)的被测定气体向测定用泵单元41供给。因此，基于与被测定气体中的NOx的浓度大致成正比例、且因利用测定用泵单元41将NOx还原生成的氧吸出而流通的泵电流Ip2而能够获知被测定气体中的NOx浓度。
此外，传感器元件101具备加热器部70，其承担对传感器元件101进行加热并保温的温度调整作用，以便提高固体电解质的氧离子传导性。加热器部70具备加热器连接器电极71、加热器72、通孔73、加热器绝缘层74以及压力释放孔75。
加热器连接器电极71是以与第一基板层1的下表面接触的形态形成的电极。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是以由第二基板层2和第三基板层3从上下侧夹持的形态形成的电阻体。加热器72经由通孔73而与加热器连接器电极71连接，通过该加热器连接器电极71从加热器电源76(参照图2)供电而发热，由此对形成传感器元件101的固体电解质进行加热和保温。
另外，加热器72埋设于第一内部空腔20至第三内部空腔61的整个区域，能够将整个传感器元件101调整为使得上述固体电解质活化的温度。
加热器绝缘层74是由氧化铝等绝缘体在加热器72的上下表面形成的绝缘层。形成加热器绝缘层74的目的在于：实现第二基板层2与加热器72之间的电绝缘性、以及第三基板层3与加热器72之间的电绝缘性。
压力释放孔75是设置成将第三基板层3及基准气体导入层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：使加热器绝缘层74内的温度上升所伴随的内压上升得到缓和。
如图2所示，控制装置95具备：上述的可变电源24、46、52、上述的加热器电源76、以及控制部96。控制部96是具备CPU97及存储部98等的微处理器。存储部98是能够进行信息改写的非易失性存储器，例如能够存储各种程序、各种数据。控制部96被输入由主泵控制用氧分压检测传感器单元80检测出的电压V0、由辅助泵控制用氧分压检测传感器单元81检测出的电压V1、由测定用泵控制用氧分压检测传感器单元82检测出的电压V2、由传感器单元83检测出的电压Vref、由主泵单元21检测出的泵电流Ip0、由辅助泵单元50检测出的泵电流Ip1以及由测定用泵单元41检测出的泵电流Ip2。另外，控制部96向可变电源24、46、52输出控制信号，由此对可变电源24、46、52输出的电压Vp0、Vp1、Vp2进行控制，从而对主泵单元21、测定用泵单元41及辅助泵单元50进行控制。控制部96向加热器电源76输出控制信号，由此对加热器电源76向加热器72供给的电力进行控制。存储部98中还存储有后述的目标值V0＊、V1＊、V2＊等。控制部96的CPU97参照这些目标值V0＊、V1＊、V2＊而进行各单元21、41、50的控制。
控制部96进行以使得第二内部空腔40的氧浓度达到目标浓度的方式控制辅助泵单元50的辅助泵控制处理。具体而言，控制部96以使得电压V1达到恒定值(称为目标值V1＊)的方式对可变电源52的电压Vp1进行反馈控制，由此控制辅助泵单元50。目标值V1＊规定为：第二内部空腔40的氧浓度达到实质上对NOx的测定没有影响的规定的低浓度这样的值。
控制部96进行以使得辅助泵单元50利用辅助泵控制处理调整第二内部空腔40的氧浓度时流通的泵电流Ip1达到目标电流(称为目标值Ip1＊)的方式控制主泵单元21的主泵控制处理。具体而言，控制部96以使得因电压Vp1而流通的泵电流Ip1达到恒定的目标值Ip1＊的方式基于泵电流Ip1来设定电压V0的目标值(称为目标值V0＊)(反馈控制)。并且，控制部96以使得电压V0达到目标值V0＊的方式(亦即，以使得第一内部空腔20的氧浓度达到目标浓度的方式)对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制。通过该主泵控制处理，从第三扩散速度控制部30导入至第二内部空腔40内的被测定气体中的氧分压的梯度始终恒定。目标值V0＊设定为：第一内部空腔20的氧浓度高于0％且为低浓度这样的值。另外，该主泵控制处理中流通的泵电流Ip0与从气体导入口10向被测定气体流通部内流入的被测定气体(即，传感器元件101周围的被测定气体)的氧浓度相应地进行变化。因此，控制部96还能够基于泵电流Ip0来检测被测定气体中的氧浓度。
还将上述的主泵控制处理及辅助泵控制处理统称为调整用泵控制处理。另外，还将第一内部空腔20及第二内部空腔40统称为氧浓度调整室。还将主泵单元21及辅助泵单元50统称为调整用泵单元。通过控制部96进行调整用泵控制处理，使得调整用泵单元对氧浓度调整室的氧浓度进行调整。
此外，控制部96进行以使得电压V2达到恒定值(称为目标值V2＊)的方式(亦即，以使得第三内部空腔61内的氧浓度达到规定的低浓度的方式)控制测定用泵单元41的测定用泵控制处理。具体而言，控制部96以使得电压V2达到目标值V2＊的方式对可变电源46的电压Vp2进行反馈控制，由此对测定用泵单元41进行控制。通过该测定用泵控制处理，从第三内部空腔61内吸出氧。
通过进行测定用泵控制处理，以使得被测定气体中的NOx在第三内部空腔61还原而生成的氧实质上达到零的方式将氧从第三内部空腔61内吸出。而且，控制部96获取作为与源自特定气体(此处为NOx)且在第三内部空腔61生成的氧相应的检测值的泵电流Ip2，并基于该泵电流Ip2而计算出被测定气体中的NOx浓度。
存储器98中作为泵电流Ip2与NOx浓度之间的对应关系而存储有关系式(例如一次函数式或二次函数式)、映射等。这种关系式或映射可以预先通过实验而求出。
控制部96进行向加热器电源76输出控制信号而以使得加热器72的温度达到目标温度(例如800℃)的方式控制的加热器控制处理。此处，加热器72的温度可以利用加热器72的电阻值的一次函数式进行表示。于是，加热器控制处理中，控制部96计算出加热器72的电阻值作为视为加热器72的温度的值(可换算为温度的值)，以使得计算出的电阻值达到目标电阻值(与目标温度对应的电阻值)的方式对加热器电源76进行反馈控制。控制部96可以获取例如加热器72的电压及流通于加热器72的电流，基于所获取的电压及电流，计算出加热器72的电阻值。控制部96可以利用例如3端子法或4端子法计算出加热器72的电阻值。加热器电源76在向加热器72通电时，例如基于来自控制部96的控制信号使向加热器72施加的电压的值发生变化，由此对向加热器72供给的电力进行调整。
本发明的发明人对气体传感器100的目标值V1＊、被测定气体中的水浓度以及泵电流Ip2的关系进行了调查。首先，作为被测定气体，准备了基础气体为氮、氧浓度为0％、水浓度为3％、NO浓度为0ppm的第一气体、除了将水浓度设为9％这一点以外组成与第一气体相同的第二气体、除了将水浓度设为15％这一点以外组成与第一气体相同的第三气体这3种气体。接下来，将目标值V2＊设为400mV，将目标值V1＊设为300mV，针对第一气体，控制部96对进行上述的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理时的泵电流Ip2进行测定。应予说明，控制部96开始上述的加热器控制处理，在加热器72的温度到达目标温度附近之后，开始调整用泵控制处理及测定用泵控制处理，之后，在泵电流Ip2稳定的状态下测定泵电流Ip2的值。进而，将目标值V1＊变更为350mV、400mV、450mV，除此以外，与上述测定同样地，对与各目标值V1＊的值对应的泵电流Ip2进行测定。关于第二气体及第三气体，也与上述测定同样地对与各目标值V1＊的值对应的泵电流Ip2进行测定。将结果示于图3。图3是示出目标值V1＊、被测定气体中的水浓度以及泵电流Ip2的关系的图表。图3的纵轴的泵电流Ip2表示为采用存储部98中所存储的泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系而将泵电流Ip2换算为NO浓度的值(单位：ppm)。第一～第三气体的NO浓度均为0ppm，因此，理论上，泵电流Ip2均为0μA，但是，实际上有少许泵电流Ip2流通。将这样的因除特定气体(此处为NOx)以外的主要原因而流通的泵电流Ip2称为偏置电流Ip2offset。因此，图3示出目标值V1＊、被测定气体中的水浓度以及偏置电流Ip2offset的关系。偏置电流Ip2offset也包含在NOx浓度并非0ppm时的泵电流Ip2中。
如图3所示，在目标值V1＊与偏置电流Ip2offset之间具有直线性的相关性，确认到目标值V1＊越高、偏置电流Ip2offset越小的趋势。另外，关于偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率，确认到被测定气体中的水浓度越高、斜率的绝对值越大的趋势。图4是示出根据图3所示的数据计算出的、被测定气体中的水浓度与偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率的关系的图表。如图4所示，在水浓度与偏置电流Ip2offset的斜率之间具有直线性的相关性，确认到水浓度越高、偏置电流Ip2offset的斜率越小(负的绝对值变大)的趋势。由这些结果可知，基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化(例如使目标值V1＊变化时的偏置电流Ip2offset的变化的斜率)，能够检测被测定气体中的水浓度。这一点是本发明的发明人这次新发现的见解。
本发明的发明人与图3同样地对气体传感器100的目标值V2＊、被测定气体中的水浓度以及泵电流Ip2的关系进行了调查。具体而言，采用与上述相同的第一～第三气体，将目标值V1＊设为385mV，将目标值V2＊设为300mV、350mV、400mV、450mV这4种，与图3的数据的测定同样地对与各目标值V2＊的值对应的泵电流Ip2进行测定。将结果示于图5。图5是示出目标值V2＊、被测定气体中的水浓度以及泵电流Ip2的关系的图表。图6是示出根据图5所示的数据计算出的、被测定气体中的水浓度与偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率的关系的图表。
如图5所示，在目标值V2＊与偏置电流Ip2offset之间具有直线性的相关性，确认到目标值V2＊越高、偏置电流Ip2offset越大的趋势。另外，关于偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率，确认到被测定气体中的水浓度越高、斜率的绝对值越大的趋势。如图6所示，在水浓度与偏置电流Ip2offset的斜率之间具有直线性的相关性，确认到水浓度越高、偏置电流Ip2offset的斜率越大(正的绝对值越大)的趋势。由这些结果可知，基于使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化(例如使目标值V2＊变化时的偏置电流Ip2offset的变化的斜率)，能够检测被测定气体中的水浓度。这一点是本发明的发明人这次新发现的见解。
由以上内容可知，使目标值V1＊和目标值V2＊中的至少一者发生变化时的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理的执行中流通的泵电流Ip2的变化与被测定气体中的水浓度具有相关性，因此，基于该泵电流Ip2的变化能够检测水浓度。本实施方式中，作为使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率与被测定气体中的水浓度的关系，表示图4所示的直线性的关系的一次函数式或映射存储于存储部98。
应予说明，目标值V1＊及目标值V2＊、被测定气体中的水浓度以及泵电流Ip2(特别是偏置电流Ip2offset)之间具有图3～图6所示的关系的理由认为如下。
首先，对被测定气体中的水与偏置电流Ip2offset的关系进行说明。被测定气体中存在水的情况下，当进行调整用泵控制处理(此处为主泵控制处理及辅助泵控制处理)时，通过可变电源52的电压Vp1而使得水的至少一部分在辅助泵电极51的周边被分解生成氢(H2)和氧(O2)。生成的氧通过辅助泵单元50而从辅助泵电极51的周边、即第二内部空腔40被吸出，不过，生成的氢的至少一部分到达第三内部空腔61。然后，到达第三内部空腔61的氢与第三内部空腔61内的氧发生反应而成为水，因此，利用测定用泵控制处理将第三内部空腔61内的氧吸出的吸出量减少、即泵电流Ip2减少。另一方面，被测定气体中存在水的情况下，当进行测定用泵控制处理时，通过可变电源46的电压Vp2而使得水的至少一部分在第三内部空腔61内的测定电极44的周边被分解生成氢(H2)和氧(O2)。因此，利用测定用泵控制处理将第三内部空腔61内的氧吸出的吸出量增加、即泵电流Ip2增加。像这样，因在辅助泵电极51的周边由水生成的氢而使得泵电流Ip2减少，因在测定电极44的周边由水生成的氧而使得泵电流Ip2增大，因此，非来源于被测定气体中的NOx的这些泵电流Ip2的减少量与增大量之和表现为偏置电流Ip2offset。
并且，目标值V1＊越高、即第二内部空腔40的氧浓度的目标值越低，越容易通过辅助泵控制处理而使得电压Vp1成为较高值，因此，通过电压Vp1而使得水在辅助泵电极51的周边被分解生成的氢变多，泵电流Ip2的减少量也变多。另外，被测定气体中的水浓度越高，水在辅助泵电极51的周边被分解生成的氢越多，因此，与目标值V1＊的变化量相应的泵电流Ip2的减少量、即泵电流Ip2的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率变得陡峭。即，斜率的绝对值变大。根据这些理由，认为表现出图3及图4所示的关系。
同样地，目标值V2＊越高、即第三内部空腔61的氧浓度的目标值越低，越容易通过测定用泵控制处理而使得电压Vp2成为较高值，因此，通过电压Vp2而使得水在测定电极44的周边被分解生成的氧变多，泵电流Ip2的增大量也变多。另外，被测定气体中的水浓度越高，水在测定电极44的周边被分解生成的氧越多，因此，与目标值V2＊的变化量相应的泵电流Ip2的增大量、即泵电流Ip2的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率变得陡峭。即，斜率的绝对值变大。根据这些理由，认为表示出图5及图6所示的关系。
接下来，对气体传感器100的控制部96进行水浓度的测定及NOx浓度的测定的处理的一例进行说明。图7是示出控制部96执行的控制例程的一例的流程图。控制部96将该例程存储于例如存储部98。例如，当从未图示的发动机ECU输入启动指令时，控制部96开始该控制例程。
控制部96的CPU97开始控制例程时，首先，开始上述的加热器控制处理(步骤S100)。接下来，CPU97开始上述的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理(步骤S110)。此时的目标值V1＊及目标值V2＊的值采用作为测定NOx浓度时使用的值而预先存储于存储部98的值。接下来，CPU97判定是否为导出水浓度及NOx浓度的浓度导出时机(步骤S120)。CPU97在例如每经过规定时间、从发动机ECU输入浓度导出指令时等判定为浓度导出时机。
若在步骤S120中判定为是浓度导出时机，则CPU97首先进行基于使目标值V1＊和目标值V2＊中的至少一者发生变化时的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理的执行中流通的泵电流Ip2的变化来检测被测定气体中的水浓度的水浓度检测处理(步骤S130、S140)。本实施方式中，CPU97在水浓度检测处理中使目标值V1＊变化而不使目标值V2＊变化。水浓度检测处理中，CPU97首先计算出使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率G(步骤S130)。具体而言，CPU97首先测定目前的泵电流Ip2，获取该泵电流Ip2作为目标值V1＊变化前的状态的泵电流Ip2的值。接下来，CPU97使目标值V1＊变化，待至泵电流Ip2的值稳定，测定稳定后的泵电流Ip2，获取该泵电流Ip2作为变化后的状态的泵电流Ip2的值。然后，变化前后的泵电流Ip2的值之差除以变化前后的目标值V1＊之差，由此导出斜率G。应予说明，使目标值V1＊变化至泵电流Ip2稳定的时间的长度为极短时间(几msec至十几msec等)，通常，在这期间几乎不会发生内燃机的废气中的NOx浓度的变化。因此，目标值V1＊的变化前后的泵电流Ip2的值之差可以视为目标值V1＊的变化前后的偏置电流Ip2offset的变化量。所以，步骤S130中导出的斜率G相当于图3所示的直线的斜率及图4的纵轴的值。然后，CPU97基于所导出的斜率G和存储于存储部98的对应关系(上述的使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率与被测定气体中的水浓度的对应关系)，计算出被测定气体中的水浓度(步骤S140)。CPU97将所导出的水浓度的值向发动机ECU输出，或者存储于存储部98。步骤S130中，可以使其向目标值V1＊的绝对值增大的方向变化，也可以使其向绝对值减小的方向变化。不过，优选变化前后的值均为为了测定NOx浓度而规定的目标值V1＊的绝对值以下。例如变化前的目标值V1＊为与为了测定NOx浓度而规定的目标值V1＊相同的值的情况下，优选使其向目标值V1＊的绝对值变小的方向变化。据此，能够抑制电压Vp1过高而在辅助泵电极51的周边发生NOx的分解，因此，能够抑制NOx浓度的测定精度降低。
在步骤S140中导出水浓度后，CPU97将目标值V1＊返回变更前的值。即，将目标值V1＊返回为了测定NOx浓度而规定的值(步骤S150)。接下来，CPU97获取因测定用泵控制处理而流通的泵电流Ip2(步骤S160)，基于获取的泵电流Ip2和存储于存储部98的对应关系(上述的泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系)，导出被测定气体中的NOx浓度(步骤S170)。然后，CPU97基于步骤S140中导出的水浓度而对步骤S170中导出的NOx浓度进行校正，从而导出校正后的NOx浓度(步骤S180)。CPU97将导出的校正后的NOx浓度的值向发动机ECU输出，或者存储于存储部98。如图3所示，因被测定气体中的水浓度而导致泵电流Ip2的偏置电流Ip2offset发生变化。因此，即便被测定气体中的NOx浓度相同，泵电流Ip2也有时与被测定气体中的水浓度相应地变化，有时导出的NOx浓度产生误差。于是，本实施方式中，CPU97基于检测出的水浓度而对基于泵电流Ip2得到的NOx浓度进行校正。例如，图3中，目标值V1＊为350mV的情况下，与水浓度为3％时的偏置电流Ip2offset相比，水浓度为15％时的偏置电流Ip2offset成为按NOx浓度换算大3ppm的值。因此，例如存储部98中预先存储的泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系为采用水浓度为3％的被测定气体而计算出的关系的情况下，实际的被测定气体的水浓度为15％时，计算出导出的NOx浓度为比实际浓度大3ppm的值。于是，CPU97在步骤S140中导出的水浓度为15％的情况下，将步骤S170中导出的NOx浓度[ppm]减去作为校正量的3ppm得到的值导出为校正后的NOx浓度。据此，能够抵消由水浓度的不同带来的偏置电流Ip2offset的变化量，校正后的NOx浓度成为更接近于实际浓度的值。这样的水浓度与NOx浓度的校正量的对应关系可以预先通过实验等求出并存储于存储部98。CPU97在步骤S180中基于水浓度和该对应关系而导出校正量，计算出校正后的NOx浓度。应予说明，代替校正量的导出，可以预先将水浓度、基于泵电流Ip2得到的NOx浓度以及校正后的NOx浓度的对应关系存储于存储部98，基于该对应关系，导出校正后的NOx浓度。另外，CPU97可以基于水浓度对步骤S170中导出的泵电流Ip2进行校正，基于校正后的泵电流Ip2，导出NOx浓度。这些方法也属于基于水浓度对NOx浓度进行的校正。
在步骤S180之后、或步骤S120中并非浓度导出时机的情况下，CPU97执行S120以后的处理。通过CPU97如上执行控制例程，从而对被测定气体中的水浓度及NOx浓度进行反复测定。
此处，将本实施方式的构成要素与本发明的构成要素的对应关系加以明确。本实施方式的第一基板层1、第二基板层2、第三基板层3、第一固体电解质层4、隔离层5以及第二固体电解质层6这6个层按该顺序依次层叠得到的层叠体相当于本发明的元件主体，第三内部空腔61相当于测定室，测定电极44相当于内侧测定电极，第一内部空腔20及第二内部空腔40相当于氧浓度调整室，辅助泵电极51相当于内侧调整电极，主泵单元21及辅助泵单元50相当于调整用泵单元，基准电极42相当于基准电极，电压V1相当于调整用电压，目标值V1＊相当于调整用电压目标值，电压V2相当于测定用电压，目标值V2＊相当于测定用电压目标值，控制装置95相当于控制装置，泵电流Ip2相当于测定用泵电流。另外，辅助泵电极51相当于内侧辅助泵电极。
根据以上详细说明的本实施方式的气体传感器100，控制装置95基于因测定用泵控制处理而流通于测定用泵单元41的泵电流Ip2，对被测定气体中的NOx浓度进行检测。另外，控制装置95进行基于使目标值V1＊和目标值V2＊中的至少一者发生变化时的调整用泵控制处理及测定用泵控制处理的执行中流通的泵电流Ip2的变化来检测被测定气体中的水浓度的水浓度检测处理。因此，本实施方式的气体传感器100能够检测被测定气体中的NOx浓度和水浓度。
另外，控制装置95基于水浓度检测处理中检测出的被测定气体中的水浓度，对被测定气体中的NOx浓度进行校正，因此，特定气体浓度的检测精度提高。
应予说明，本发明不受上述实施方式的任何限定，当然，只要属于本发明的技术范围，就可以按各种方案进行实施。
例如，上述实施方式中，在图7的控制例程的步骤S130中，CPU97基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率G而导出水浓度，不过，不限于斜率G，只要基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化来导出水浓度即可。例如，可以基于目标值V1＊的变化前后的泵电流Ip2的变化量或变化率来导出水浓度。这种情况下，将泵电流Ip2的变化量或变化率与水浓度的对应关系预先存储于存储部98即可。
上述实施方式中，在图7的控制例程的步骤S130中，CPU97基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率G而导出水浓度，不过，也可以基于使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化来导出水浓度。例如，CPU97可以导出不使目标值V1＊变化而是使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率(相当于图5所示的直线的斜率及图6的纵轴的值)，基于导出的斜率，导出水浓度。这种情况下，将使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率与水浓度的对应关系(相当于图6所示的直线的对应关系)预先存储于存储部98即可。应予说明，在使目标值V2＊变化时，可以使其向目标值V2＊的绝对值变大的方向变化，也可以使其向绝对值变小的方向变化。不过，优选变化前后的值均为为了测定NOx浓度而规定的目标值V2＊的值以上。例如变化前的目标值V2＊为与为了测定NOx浓度而规定的目标值V2＊相同的值的情况下，优选使其向目标值V2＊的绝对值变大的方向变化。据此，能够抑制电压Vp2过低而导致泵电流Ip2不会达到极限电流，因此，能够抑制NOx浓度的测定精度降低。
CPU97也可以在水浓度检测处理中基于使目标值V1＊和目标值V2＊这两者均变化时的泵电流Ip2来导出水浓度。这种情况下，优选由目标值V1＊的变化带来的泵电流Ip2的变化的方向和由目标值V2＊的变化带来的泵电流Ip2的变化的方向为相同方向。例如，如果使目标值V1＊的绝对值变为较小值且使目标值V2＊的绝对值变为较大值，则这些变化均在使泵电流Ip2增大的方向上发挥作用。或者，如果使目标值V1＊的绝对值变为较大值且使目标值V2＊的绝对值变为较小值，则这些变化均在使泵电流Ip2减少的方向上发挥作用。如果利用上述的任一方法使目标值V1＊和目标值V2＊变化，则即便目标值V1＊和目标值V2＊各自的变化量较小，由被测定气体中的水所引起的泵电流Ip2的变化也比较大。因此，容易基于泵电流Ip2的变化来检测水浓度。应予说明，在使目标值V1＊和目标值V2＊这两者均变化的情况下，只要例如计算出泵电流Ip2的变化量或变化率而并非泵电流Ip2的斜率，并基于该变化量或变化率来导出水浓度即可。
在上述实施方式中，CPU97采用水浓度对NOx浓度进行了校正，不过，也可以不进行校正。另外，CPU97可以判定导出的水浓度是否在视为不会影响NOx浓度的测定精度的规定的容许范围内，不在容许范围内的情况下，对NOx浓度进行校正。
在上述实施方式中，也可以进一步以还检测被测定气体的气体温度的方式构成气体传感器100。本发明的发明人将使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化和使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化进行比较，结果发现，前者不易受到被测定气体的气体温度的影响。即，发现：后者与前者相比较，容易受到气体温度的影响，因此，通过将前者和后者进行比较，能够检测被测定气体的气体温度。图8是示出水浓度、偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率、以及气体温度的关系的概念图。图6是将第一气体～第三气体的气体温度设为相同温度时的图表，与此相对，图8示意性地示出对第一气体～第三气体的气体温度分别进行变更的情况下偏置电流Ip2offset的斜率与气体温度对应地如何变化。如图8所示，即便水浓度为相同值，当气体温度变化时，偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率的值也会变化，确认到气体温度越高、斜率越大的趋势。另一方面，即便气体温度发生变化，如果水浓度为相同值，则偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率也不太会看到变化。认为这样的差异是由辅助泵电极51与测定电极44的温度差异带来的。在上述实施方式中省略了说明，不过，气体传感器100构成为：加热器72发热到700℃以上且900℃以下的温度范围中的至少任一温度时的测定电极44的温度Tm低于辅助泵电极51的温度Tq。例如，在加热器72的目标温度为800℃时，辅助泵电极51的温度Tq为约750℃，而测定电极44的温度Tm为例如650℃以上且700℃以下的范围内的值。辅助泵单元50与测定用泵单元41相比，待吸出的氧的量较多，因此，出于进一步提高辅助泵单元50的泵送能力的目的，使其满足温度Tq＞温度Tm。应予说明，根据相同理由，优选使主泵单元21的泵送能力高于辅助泵单元50，因此，当将内侧泵电极22的温度设为温度Tp时，优选以在加热器72被控制到目标温度的状态下满足温度Tp＞温度Tq＞温度Tm的方式构成气体传感器100。例如，通过调整加热器72的形状、配置，能够进行温度Tp、温度Tq及温度Tm的调整。并且，通过温度Tq＞温度Tm，辅助泵电极51的温度Tq比较接近于被测定气体的气体温度(例如700℃～800℃)，即便气体温度发生变化，温度Tq也不易变化。与此相对，测定电极44的温度Tm与被测定气体的气体温度之差较大，因此，如果气体温度发生变化，则温度Tm容易变化。并且，认为：即便水浓度相同，如果温度Tm升高，则测定电极44周边的水分解量增加，因此，偏置电流Ip2offset的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率变大、即偏置电流Ip2offset的斜率变大。据此，认为与气体温度相应地出现图8所示的趋势。利用这些发现，可以进行基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化和使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化来检测被测定气体的气体温度的气体温度检测处理。
对气体温度检测的具体例进行说明。首先，预先利用实验求出图8所示的表示水浓度、偏置电流Ip2offset的变化的斜率以及气体温度的关系的关系式、或映射等并存储于存储部98。控制装置95的CPU97进行图7的控制例程的S100～S140，基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率G来导出水浓度。该水浓度是使目标值V1＊变化而导出的，因此不易受到气体温度的影响。接下来，CPU97使目标值V1＊返回变化前的值，导出使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率。然后，CPU97基于导出的水浓度及使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率、以及存储于存储部98的对应关系，导出被测定气体的气体温度。例如，图8的关系存储于存储部98的情况下，当导出的水浓度为15％且使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率为值a时，作为气体温度，导出值b。据此，气体传感器100中，除了能够检测被测定气体的NOx浓度及水浓度以外，还能够检测气体温度。应予说明，图8的水浓度与基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化的斜率G得到的水浓度对应，因此，泵电流Ip2的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率G、泵电流Ip2的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率以及气体温度的关系也与图8相同。所以，也可以代替采用导出的水浓度，而基于泵电流Ip2的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率G、泵电流Ip2的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率以及预先存储于存储部98的对应关系来导出气体温度。或者，也可以导出泵电流Ip2的变化相对于目标值V1＊的变化的斜率G与泵电流Ip2的变化相对于目标值V2＊的变化的斜率之差或之比，基于导出的差或比，导出气体温度。这种情况下，将该差或比与气体温度的对应关系预先存储于存储部98即可。另外，如上所述，也可以代替采用斜率，而采用泵电流Ip2的变化量或变化率等。
此外，控制装置95也可以基于导出的水浓度及气体温度而对被测定气体中的NOx浓度进行校正。如果被测定气体的气体温度升高，则测定电极44周边的水分解量增加，因此，气体温度越高，偏置电流Ip2offset越大。另外，如上所述，偏置电流Ip2offset还根据水浓度而发生变化。因此，即便被测定气体中的实际的NOx浓度相同，泵电流Ip2也会与被测定气体的气体温度及水浓度相对应地进行变化，有时导出的NOx浓度产生误差。控制装置95基于导出的水浓度及气体温度来对被测定气体中的NOx浓度进行校正，由此抑制产生这样的误差，从而NOx浓度的检测精度提高。进行这样的校正的情况下，例如预先调查水浓度及气体温度与偏置电流Ip2offset的对应关系并存储于存储部98。图9是示出这样的对应关系的一例的概念图。控制装置95基于导出的水浓度、导出的气体温度以及图9所示的对应关系，导出偏置电流Ip2offset。然后，基于导出的偏置电流Ip2offset，对被测定气体中的NOx浓度进行校正。例如，关于存储部98中预先存储的泵电流Ip2与NOx浓度的对应关系，预先调查计算该对应关系时的偏置电流Ip2offset的值并作为基准值存储于存储部98。更具体而言，除了将被测定气体中的NOx浓度设为0ppm这一点以外，可以测定与计算对应关系时相同条件下的泵电流Ip2，将其值用作基准值。控制装置95将导出的偏置电流Ip2offset与存储于存储部98的基准值之差导出，设为泵电流Ip2的校正量。然后，控制装置95导出步骤S160中获取的泵电流Ip2减去校正量得到的值作为校正后的泵电流Ip2。之后，控制部96基于校正后的泵电流Ip2、存储于存储部98的泵电流Ip2以及NOx浓度的对应关系，导出NOx浓度。这样导出的NOx浓度为由水浓度及气体温度带来的偏置电流Ip2offset的变化量被抵消的校正后的NOx浓度，因此与不进行校正的情形相比，成为更接近于实际的NOx浓度的值。应予说明，也可以代替图9的对应关系，而采用水浓度及气体温度与泵电流Ip2的校正量的对应关系。或者，也可以采用水浓度及气体温度与NOx浓度的校正量的对应关系。
图9所示的对应关系具有如下趋势，即，气体温度为相同值的情况下，水浓度越高，偏置电流Ip2offset越大。不过，不限于此，也有时具有如下趋势，即，气体温度为相同值的情况下，水浓度越高，偏置电流Ip2offset越小。例如，由图3及图5可知，目标值V1＊为400mV以下且目标值V2＊为350mV以上的情况下，具有水浓度越高、偏置电流Ip2offset越大的趋势。与此相对，目标值V1＊超过400mV的情况或目标值V2＊小于350mV的情况下，具有水浓度越高、偏置电流Ip2offset越小的趋势。因此，优选与获取NOx浓度测定用的泵电流Ip2时的目标值V1＊及目标值V2＊的值相对应地预先调查适当的对应关系(水浓度及气体温度与偏置电流Ip2offset的对应关系)并存储于存储部98。
如上所述，使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化容易受到气体温度的影响，因此，水浓度的检测优选基于使目标值V1＊变化时的泵电流Ip2的变化来进行。不过，若是气体温度对水浓度的检测精度带来的影响较小的情形或被测定气体的气体温度的变化宽度较小的情形，则即便基于使目标值V2＊变化时的泵电流Ip2的变化来检测水浓度，也不易产生问题。
在上述实施方式中没有进行说明，不过，目标值V0＊、目标值V1＊、目标值V2＊分别可以为900mV以下，也可以为800mV以下。据此，能够抑制电压Vp0、Vp1、Vp2分别变成过高的值，进而，能够抑制传感器元件101的黑化。目标值V1＊可以为300mV以上且450mV以下的范围内的值。目标值V2＊可以为300mV以上且450mV以下的范围内的值。即便控制装置95在传感器元件101的控制中使目标值V0＊、目标值V1＊、目标值V2＊的各值发生变化的情况下，也优选使其在上述的各种范围内进行变化。
在上述实施方式中，步骤S110以后继续执行调整用泵控制处理和测定用泵控制处理，但不特别限于此，也可以有时将调整用泵控制处理和测定用泵控制处理中的至少一者暂时停止。例如步骤S130中，可以将调整用泵控制处理及测定用泵控制处理暂时停止之后，使目标值V1＊为变更后的值，并重启调整用泵控制处理及测定用泵控制处理。
在上述实施方式中，氧浓度调整室具有第一内部空腔20和第二内部空腔40，但不限于此，例如氧浓度调整室可以进一步具备另一内部空腔，也可以将第一内部空腔20和第二内部空腔40中的一者省略。同样地，在上述实施方式中，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，例如调整用泵单元可以进一步具备另一泵单元，也可以将主泵单元21和辅助泵单元50中的一者省略。例如，能够仅以主泵单元21使被测定气体的氧浓度足够低的情况下，可以将辅助泵单元50省略。将辅助泵单元50省略的情况下，控制部96只要构成为作为调整用泵控制处理仅进行主泵控制处理即可。另外，对于主泵控制处理，只要将上述的基于泵电流Ip1进行的目标值V0＊的设定省略即可。具体而言，只要将规定的目标值V0＊预先存储于存储部98，控制部96以使得电压V0达到目标值V0＊的方式对可变电源24的电压Vp0进行反馈控制，由此对主泵单元21进行控制即可。将辅助泵单元50省略的情况下，内侧泵电极22相当于内侧调整电极，电压V0相当于调整用电压，目标值V0＊相当于调整用电压目标值。氧浓度调整室除了第一内部空腔20和第二内部空腔40以外还具备另一内部空腔而使得调整用泵单元具有3个以上的泵单元的情况下，3个以上的泵单元中的最下游侧的泵单元、即在距测定室最近的位置所配设的泵单元的控制处理中的电压的目标值相当于调整用电压目标值。
在上述实施方式中，气体传感器100的传感器元件101具备第一内部空腔20、第二内部空腔40以及第三内部空腔61，但不限于此。例如，也可以像图10的传感器元件201那样不具备第三内部空腔61。图10所示的变形例的传感器元件201中，在第二固体电解质层6的下表面与第一固体电解质层4的上表面之间，气体导入口10、第一扩散速度控制部11、缓冲空间12、第二扩散速度控制部13、第一内部空腔20、第三扩散速度控制部30以及第二内部空腔40以按该顺序连通的形态而相邻地形成。另外，测定电极44配设于第二内部空腔40内的第一固体电解质层4的上表面。测定电极44由第四扩散速度控制部45覆盖。第四扩散速度控制部45是由氧化铝(Al2O3)等陶瓷多孔体构成的膜。与上述实施方式的第四扩散速度控制部60相同，第四扩散速度控制部45承担限制向测定电极44流入的NOx的量的作用。另外，第四扩散速度控制部45还作为测定电极44的保护膜而发挥作用。辅助泵电极51的顶部电极部51a形成至测定电极44的正上方。即便是这种结构的传感器元件201，也能够与上述实施方式同样地基于例如泵电流Ip2而检测NOx浓度。这种情况下，测定电极44的周围作为测定室而发挥作用。
在上述实施方式中，外侧泵电极23兼具有：作为与主泵单元21中的内侧泵电极22成对的电极(也称为外侧主泵电极)的作用、作为与辅助泵单元50中的辅助泵电极51成对的电极(也称为外侧辅助泵电极)的作用、以及作为与测定用泵单元41中的测定电极44成对的电极(也称为外侧测定电极)的作用，但不限于此。可以将外侧主泵电极、外侧辅助泵电极及外侧测定电极中的任一者以上有别于外侧泵电极23而另行以与被测定气体接触的方式设置于元件主体的外侧。
在上述实施方式中，内侧泵电极22为含有1％的Au的Pt与ZrO2的金属陶瓷电极，但不限于此。内侧泵电极22只要含有具有催化活性的贵金属即可。作为具有催化活性的贵金属，例如可以举出Pt、Rh、Ir、Ru、Pd中的至少任一者。不过，优选像上述实施方式那样，内侧泵电极22中，作为具有催化活性的贵金属，含有Pt。内侧泵电极22优选含有具有催化活性的贵金属和Au。辅助泵电极51与内侧泵电极22同样地，只要含有具有催化活性的贵金属即可，优选进一步含有Au。通过内侧泵电极22及辅助泵电极51含有Au，使得针对NOx的催化活性得以抑制，因此，能够抑制NOx在第一内部空腔20及第二内部空腔40中被还原。外侧泵电极23、基准电极42及测定电极44只要分别含有上述的具有催化活性的贵金属即可。各电极22、23、42、44、51分别优选为含有贵金属和具有氧离子导电性的氧化物(例如ZrO2)的金属陶瓷，不过，这些电极中的1者以上也可以不是金属陶瓷。各电极22、23、42、44、51分别优选为多孔质体，不过，这些电极中的1者以上也可以不是多孔质体。
在上述实施方式中，传感器元件101对被测定气体中的NOx浓度进行检测，不过，只要是对被测定气体中的特定气体的浓度进行检测即可，不限于此。例如，不限于NOx，可以将其他氧化物浓度设为特定气体浓度。特定气体为氧化物的情况下，与上述实施方式同样地，将特定气体自身在第三内部空腔61中还原时产生氧，因此，测定用泵单元41能够获取与该氧相应的检测值(例如泵电流Ip2)而检测特定气体浓度。另外，特定气体也可以为氨等非氧化物。特定气体为非氧化物的情况下，将特定气体转化为氧化物(例如，若是氨，则转化为NO)，由此，转化后的气体在第三内部空腔61中还原时产生氧，因此，测定用泵单元41能够获取与该氧相应的检测值(例如泵电流Ip2)而检测特定气体浓度。例如，第一内部空腔20的内侧泵电极22作为催化剂而发挥作用，由此能够在第一内部空腔20中将氨转化为NO。特定气体也可以为除氧以外的规定的气体。特定气体还可以为除氧及二氧化碳以外的规定的气体。特定气体还可以为NOx及氨中的任一者。
在上述实施方式中，传感器元件101的元件主体设为具有多个固体电解质层(层1～6)的层叠体，但不限于此。传感器元件101的元件主体只要包含至少1个氧离子传导性的固体电解质层即可。例如，图1中第二固体电解质层6以外的层1～5也可以设为由固体电解质层以外的材质形成的层(例如由氧化铝形成的层)。这种情况下，传感器元件101所具有的各电极只要配设于第二固体电解质层6即可。例如，图1的测定电极44只要配设于第二固体电解质层6的下表面即可。另外，只要如下形成即可：将基准气体导入空间43设置于隔离层5而代替设置于第一固体电解质层4，将基准气体导入层48设置于第二固体电解质层6与隔离层5之间而代替设置于第一固体电解质层4与第三基板层3之间，将基准电极42设置为比第三内部空腔61靠后方、且设置于第二固体电解质层6的下表面。
在上述实施方式中，控制部96以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊的方式基于泵电流Ip1而设定电压V0的目标值V0＊(反馈控制)，并以使得电压V0达到目标值V0＊的方式对电压Vp0进行反馈控制，不过，也可以进行其他控制。例如，控制部96也可以以使得泵电流Ip1达到目标值Ip1＊的方式基于泵电流Ip1而对电压Vp0进行反馈控制。即，控制部96也可以省略从主泵控制用氧分压检测传感器单元80获取电压V0、或省略设定目标值V0＊，而基于泵电流Ip1直接对电压Vp0进行控制(进而对泵电流Ip0进行控制)。
产业上的可利用性
本发明能够用于对汽车的尾气等被测定气体中的NOx等特定气体的浓度进行检测的气体传感器。

Claims (6)

1.一种气体传感器，具备传感器元件和控制装置，
所述传感器元件具有：
元件主体，该元件主体具有氧离子传导性的固体电解质层，且内部设置有供被测定气体导入并使其流通的被测定气体流通部；
测定用泵单元，该测定用泵单元构成为包括在所述被测定气体流通部中的测定室所配设的内侧测定电极，将所述测定室的氧向所述元件主体的外部吸出；
调整用泵单元，该调整用泵单元构成为包括在所述被测定气体流通部中的位于比所述测定室靠上游的位置的氧浓度调整室所配设的内侧调整电极，调整所述氧浓度调整室的氧浓度；以及
基准电极，该基准电极以与作为所述被测定气体中的特定气体的浓度、即特定气体浓度的检测基准的基准气体接触的方式配设于所述元件主体的内部，
所述控制装置进行调整用泵控制处理和测定用泵控制处理，在该调整用泵控制处理中，以使得所述基准电极与所述内侧调整电极之间的电压、即调整用电压达到调整用电压目标值的方式控制所述调整用泵单元来调整所述氧浓度调整室的氧浓度，在该测定用泵控制处理中，以使得所述基准电极与所述内侧测定电极之间的电压、即测定用电压达到测定用电压目标值的方式控制所述测定用泵单元而将所述测定室的氧吸出，
所述控制装置基于因所述测定用泵控制处理而流通于所述测定用泵单元的测定用泵电流，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行检测，
所述控制装置进行水浓度检测处理，在该水浓度检测处理中，基于使所述调整用电压目标值和所述测定用电压目标值中的至少一者发生变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化，对所述被测定气体中的水浓度进行检测。
2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，
所述控制装置在所述水浓度检测处理中使所述调整用电压目标值的绝对值变为较小值且使所述测定用电压目标值的绝对值变为较大值，或者使所述调整用电压目标值的绝对值变为较大值且使所述测定用电压目标值的绝对值变为较小值。
3.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述氧浓度调整室具有：第一内部空腔、以及设置为比该第一内部空腔靠下游且比所述测定室靠上游的第二内部空腔，
所述调整用泵单元具有：对所述第一内部空腔的氧浓度进行调整的主泵单元、以及对所述第二内部空腔的氧浓度进行调整的辅助泵单元，
所述内侧调整电极为配设于所述第二内部空腔且构成所述辅助泵单元的一部分的内侧辅助泵电极，
所述调整用泵控制处理包括：控制所述主泵单元而对所述第一内部空腔的氧浓度进行调整的主泵控制处理、以及以使得所述调整用电压达到所述调整用电压目标值的方式控制所述辅助泵单元的辅助泵控制处理。
4.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述控制装置基于所述水浓度检测处理中检测出的所述被测定气体中的水浓度，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行校正。
5.根据权利要求1或2所述的气体传感器，其特征在于，
所述控制装置进行气体温度检测处理，在该气体温度检测处理中，基于使所述调整用电压目标值变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化和使所述测定用电压目标值变化时所述调整用泵控制处理及所述测定用泵控制处理的执行中流通的所述测定用泵电流的变化，对所述被测定气体的气体温度进行检测。
6.根据权利要求5所述的气体传感器，其特征在于，
所述控制装置基于所述水浓度检测处理中检测出的水浓度、以及所述气体温度检测处理中检测出的气体温度，对所述被测定气体中的所述特定气体浓度进行校正。
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