DE102018002533A1

DE102018002533A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102018002533A1
Application number: DE102018002533.1A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Takayuki Sekiya
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-03-31
Filing date: 2018-03-27
Publication date: 2018-10-04
Also published as: JP6769909B2; JP2018173318A; US20200141895A1; CN108693227B; US20180284058A1; CN108693227A; US11067531B2

Abstract

Ein Gassensor umfasst eine Referenzgasregulierpumpzelle und eine Messpumpzelle. Die Referenzgasregulierpumpzelle legt eine Steuerspannung Vp3, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, zwischen einer Referenzelektrode und einer Elektrode auf der Seite des Messgases an, so dass Sauerstoff zu einem Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird. Ein erster Zeitraum (Zeit t3 bis t5), während dem eine Spannung Vref zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases hoch ist, beginnt nach dem Einstellen der Steuerspannung Vp3 auf den Ein-Zustand. Ein zweiter Zeitraum (Zeit t6 bis t7) beginnt nach dem Einstellen der Steuerspannung Vp3 auf den Aus-Zustand, nachdem die Spannung Vref von dem ersten Zeitraum fällt. Die Messpumpzelle erfasst eine NOx-Konzentration auf der Basis einer Spannung zwischen einer Messelektrode und der Referenzelektrode während des zweiten Zeitraums.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
STAND DER TECHNIK
Ein herkömmlicher Gassensor erfasst eine spezifische Gaskonzentration, wie z.B. NOx, in einem Messgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper, eine Referenzelektrode, eine Messelektrode und eine Elektrode auf der Seite des Messgases umfasst. Der Schichtkörper wird durch Stapeln einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten gebildet. Die Referenzelektrode ist innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet und empfängt ein Referenzgas (wie z.B. Luft), das mittels eines Referenzgaseinführungsraums in diese eingeführt wird. Die Messelektrode ist in einem Messgas-Strömungsabschnitt innerhalb des Schichtkörpers bereitgestellt. Die Elektrode auf der Seite des Messgases ist in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt, der dem Messgas ausgesetzt ist. Der Gassensor erfasst die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer elektromotorischen Kraft, die zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird. Darüber hinaus umfasst der Gassensor ferner eine Referenzgasreguliervorrichtung, die Sauerstoff zu einem Randbereich der Referenzelektrode durch das Fließen eines Steuerstroms durch Anlegen einer Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases hineinpumpt. PTL 1 beschreibt, dass die Referenzgasreguliervorrichtung Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineinpumpt, so dass eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration kompensiert wird, die in einem Fall der vorübergehenden Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas in dem Randbereich der Referenzelektrode verursacht wird, und eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration verhindert wird. Es sollte beachtet werden, dass ein Fall der Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Referenzgas in dem Randbereich der Referenzelektrode ein Fall ist, in dem z.B. das Messgas geringfügig in den Referenzgaseinführungsraum eindringt.
DOKUMENTENLISTE
PATENTDOKUMENT
PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2015-200643
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
In einem Fall, bei dem Sauerstoff in dem Randbereich der Elektrode auf der Seite des Messgases in den Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird, wird jedoch eine Spannung zwischen den Elektroden angelegt, um einen Steuerstrom fließen zu lassen, wodurch das Potenzial der Referenzelektrode abhängig von der angelegten Spannung verändert wird. Folglich kann die Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration in manchen Fällen vermindert werden. Beispielsweise verändert eine Veränderung des Potenzials der Referenzelektrode auch die Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode, und folglich kann die Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration, die auf der Basis der Spannung erfasst wird, in manchen Fällen vermindert werden.
Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um solche Probleme zu lösen, und deren Hauptaufgabe ist die Unterdrückung einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration, die durch eine Hineinpump-Steuerspannung während des Hineinpumpens von Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode verursacht wird.
Zum Lösen der vorstehend genannten Hauptaufgabe ist die vorliegende Erfindung wie folgt aufgebaut.
Ein Gassensor gemäß der vorliegenden Anmeldung umfasst

einen Schichtkörper, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten ausgebildet wird und der einen Messgas-Strömungsabschnitt umfasst, in den ein Messgas eingeführt und einströmen gelassen wird;
eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet ist und ein darin eingeführtes Referenzgas empfängt, wobei das Referenzgas als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird;
eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche des Messgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist;
eine Elektrode auf der Seite des Messgases, die in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt ist, der dem Messgas ausgesetzt ist;
einen Referenzgaseinführungsabschnitt, der das Referenzgas zu einem Randbereich der Referenzelektrode einführt;
eine Referenzgasreguliervorrichtung, die eine Steuerspannung, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases anlegt, so dass Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird; und
eine Erfassungsvorrichtung, welche die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum, der nach dem Einstellen der Steuerspannung auf den Ein-Zustand, während dem eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases groß ist, beginnt, und dem zweiten Zeitraum erfasst, der nach dem Einstellen der Steuerspannung auf den Aus-Zustand beginnt, nachdem die Potenzialdifferenz ausgehend von dem ersten Zeitraum fällt.

In diesem Gassensor legt die Referenzgasreguliervorrichtung die Steuerspannung zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases an, um Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineinzupumpen. Folglich kann eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode kompensiert werden. Darüber hinaus weist, da die Referenzgasreguliervorrichtung die Steuerspannung anlegt, die wiederholt auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand eingestellt wird, der Gassensor den ersten Zeitraum, während dem die Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases groß ist, und den zweiten Zeitraum auf, der ein Zeitraum ist, nachdem die Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases fällt. Da die Steuerspannung das Potenzial der Referenzelektrode während des zweiten Zeitraums weniger beeinflusst als während des ersten Zeitraums, kann durch die Erfassungsvorrichtung, welche die spezifische Gaskonzentration auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während des zweiten Zeitraums erfasst, eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration verhindert werden. Demgemäß kann dieser Gassensor eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration, die durch die Hineinpump-Steuerspannung verursacht wird, während Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird, verhindern.
Der Beginn des zweiten Zeitraums ist ein Zeitpunkt, bei dem die Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases, die durch Einstellen der Steuerspannung auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand erzeugt wird, auf 10 % fällt, wobei die Differenz der Potenzialdifferenz zwischen deren Maximum und deren Minimum 100 % beträgt. Das Ende des zweiten Zeitraums ist ein Zeitpunkt, bei dem die Potenzialdifferenz anzusteigen beginnt, nachdem die Steuerspannung nach dem Beginn des zweiten Zeitraums auf den Ein-Zustand eingestellt worden ist. Der Ausdruck „die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas wird auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während des zweiten Zeitraums erfasst“, umfasst einen Fall, bei dem mindestens ein Teil eines Zeitraums zum Erfassen der spezifischen Gaskonzentration geringfügig von dem zweiten Zeitraum in einem Bereich abweicht, in dem der vorstehend beschriebene Effekt erhalten werden kann.
In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die Restspannung DVref, die gemäß der folgenden Formel (1) berechnet wird, 40 mV oder weniger betragen. Es sollte beachtet werden, dass z.B. aufgrund einer Kapazitätskomponente der Referenzelektrode oder dergleichen eine Restspannung, die aus der Steuerspannung resultiert, zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases selbst während des zweiten Zeitraums vorliegen kann. Diese Restspannung beeinflusst das Potenzial der Referenzelektrode. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die Erfassungsgenauigkeit der spezifischen Gaskonzentration erhöht wird, wenn die Restspannung niedriger ist. Darüber hinaus ist dann, wenn die Restspannung DVref des Gassensors, die in der Luft gemessen wird, 40 mV oder weniger beträgt, die Restspannung in dem Messgas während des zweiten Zeitraums ausreichend niedrig. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die spezifische Gaskonzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Die Restspannung DVref ist ein Wert, welcher der minimalen Restspannung während des zweiten Zeitraums in einem Zustand entspricht, in dem der Schichtkörper in der Luft angeordnet ist. $DVref = Vref1 - Vref 0$
(wobei Vref1 eine minimale Spannung [mV] zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases in einem Zustand ist, in dem der Schichtkörper in der Luft angeordnet ist und in dem die Steuerspannung wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, und
Vref0 eine Spannung [mV] zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases in einem Zustand ist, in dem der Schichtkörper in der Luft angeordnet ist und in dem die Steuerspannung nicht angelegt ist.)
In diesem Fall kann die Restspannung DVref 35 mV oder weniger betragen. Dies vermindert die Restspannung während des zweiten Zeitraums und folglich ist es wahrscheinlich, dass die spezifische Gaskonzentration mit einer hohen Genauigkeit während des zweiten Zeitraums erfasst wird.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die folgende Formel (2) erfüllen. Es sollte beachtet werden, dass die Restspannung während des zweiten Zeitraums im Zeitverlauf weiter vermindert wird, wenn die zweite Zeit T2, welche die Länge des zweiten Zeitraums ist, länger ist. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die spezifische Gaskonzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass die vorstehend beschriebene Restspannung während des zweiten Zeitraums erhöht wird, wenn der Spitzenstrom Ip3max, der in der Referenzelektrode mittels der Steuerspannung fließt, höher ist. Folglich ist es wahrscheinlich, dass die zweite Zeit T2, die erforderlich ist, um die Restspannung ausreichend zu vermindern, länger ist, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist. Solange der Gassensor der vorliegenden Erfindung die folgende Formel (2) erfüllt, ist die zweite Zeit T2 durch Berücksichtigen der Größe des Werts des Spitzenstroms Ip3max ausreichend lang und demgemäß ist es wahrscheinlich, dass die spezifische Gaskonzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. $T2 \geq 1,4851 \times In (Ip3max) - 4,0296$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, die eine Länge des zweiten Zeitraums ist, und
Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt.)
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die folgende Formel (3) oder Formel (4) erfüllen. Es sollte beachtet werden, dass der Durchschnitt des Stroms, der in der Referenzelektrode mittels der Steuerspannung fließt, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, erhöht wird, wenn der Spitzenstrom Ip3max, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt, höher ist, und vermindert wird, wenn die zweite Zeit T2 länger ist. Darüber hinaus ist es dann, wenn der Durchschnitt des Stroms, der in der Referenzelektrode fließt, niedrig ist, wahrscheinlich, dass ein Effekt des Kompensierens zum Vermindern der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode unzureichend wird. Solange der Gassensor der vorliegenden Erfindung die folgende Formel (3) oder Formel (4) erfüllt, wird die zweite Zeit T2 dadurch ausreichend verkürzt, dass die Größe des Werts des Spitzenstroms Ip3max berücksichtigt wird, und demgemäß ist es möglich, die Unzulänglichkeit des Effekts des Kompensierens zum Vermindern der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode zu vermindern. $T2 \leq 1,685 \times In (Ip3max) + 0,9899$
$T2 \leq 0,0011 \times Ip3max + 7,58$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, die eine Länge des zweiten Zeitraums ist,
Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt, und
die Formel (3) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max ≤ 50 µA ist, und
die Formel (4) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max > 50 µA ist.)
In dem Sensorelement der vorliegenden Erfindung kann die Elektrode auf der Seite des Messgases auf der Außenoberfläche des Schichtkörpers bereitgestellt sein. In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement eine Außenelektrode umfassen, die auf der Außenoberfläche des Schichtkörpers bereitgestellt ist. Darüber hinaus kann die Erfassungsvorrichtung Sauerstoff mittels der Messelektrode und der Außenelektrode auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode hinein- und hinauspumpen und kann die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis des Stroms zum Zeitpunkt des Hineinpumpens oder Hinauspumpens erfassen. In diesem Fall kann die Außenelektrode als Elektrode auf der Seite des Messgases dienen.
Figurenliste

1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Gassensors 100.
2 ist ein schematisches Schnittdiagramm, das schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt.
3 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine zeitliche Veränderung einer Steuerspannung Vp3 und einer Spannung Vref zeigt.
4 ist ein erläuterndes Diagramm einer Restspannung DVref.
5 ist ein schematisches Schnittdiagramm eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
6 ist ein Graph, in dem ein Spitzenstrom Ip3max und eine zweite Zeit T2 für die experimentellen Beispiele 1 bis 28 aufgetragen sind.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine vertikale Schnittansicht eines Gassensors 100, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist ein schematisches Schnittdiagramm, das schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt, das in den Gassensor 100 einbezogen ist. Das Sensorelement 101 liegt in einer langen rechteckigen Parallelepipedform vor. In der nachstehenden Beschreibung ist die Längsrichtung des Sensorelements 101 (Links-rechts-Richtung in der 2) die Vorne-hinten-Richtung, und die Dickenrichtung des Sensorelements 101 (vertikale Richtung in der 2) ist die vertikale Richtung. Die Breitenrichtung des Sensorelements 101 (Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der vertikalen Richtung) ist die Links-rechts-Richtung.
Wie es in der 1 gezeigt ist, weist der Gassensor 100 das Sensorelement 101, eine Schutzabdeckung 130, die zum Schützen einer vorderen Endseite des Sensorelements 101 ausgebildet ist, und eine Sensoranordnung 140, die einen Verbinder 150 umfasst, der mit dem Sensorelement 101 kontinuierlich ist, auf. Dieser Gassensor 100 ist z.B. an einer Leitung 190, wie z.B. einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, montiert, wie es gezeigt ist, und wird zum Messen einer spezifischen Gaskonzentration, wie z.B. von NOx oder O₂, das in einem Abgas enthalten ist, das ein Messgas ist, verwendet. Gemäß dieser Ausführungsform wird der Gassensor 100 zum Messen der NOx-Konzentration als die spezifische Gaskonzentration verwendet.
Die Schutzabdeckung 130 umfasst eine innere Schutzabdeckung 131 in einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form zum Bedecken eines vorderen Endes des Sensorelements 101 und eine äußere Schutzabdeckung 132 in einer mit einem Boden versehenen zylindrischen Form zum Bedecken der inneren Schutzabdeckung 131. Die innere Schutzabdeckung 131 und die äußere Schutzabdeckung 132 weisen eine Mehrzahl von Löchern auf, die zum Strömenlassen des Messgases innerhalb der Schutzabdeckung 130 ausgebildet sind. Eine Sensorelementkammer 133 ist als ein Raum ausgebildet, der durch die innere Schutzabdeckung 131 umgeben ist. Das vordere Ende des Sensorelements 101 ist in der Sensorelementkammer 133 angeordnet.
Die Sensoranordnung 140 umfasst einen eingekapselten Elementkörper 141, in dem das Sensorelement 101 eingekapselt und fixiert ist, eine Mutter 147, die an dem eingekapselten Elementkörper 141 montiert ist, einen äußeren Zylinder 148 und den Verbinder 150, der mit nicht gezeigten Verbinderelektroden (nur eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, die später beschrieben wird, ist in der 2 gezeigt), die auf Oberflächen (oberen und unteren Oberflächen) an einem hinteren Ende des Sensorelements 101 ausgebildet sind, in Kontakt ist und elektrisch mit diesen verbunden ist.
Der eingekapselte Elementkörper 141 umfasst eine Haupthalterung 142 in einer zylindrischen Form, einen inneren Zylinder 143 in einer zylindrischen Form, der koaxial an die Haupthalterung 142 geschweißt und daran fixiert ist, Keramikhalter 144a bis 144c, die in Durchgangslöchern innerhalb der Haupthalterung 142 und des inneren Zylinders 143 eingekapselt sind, Grünpresskörper 145a und 145b und einen Metallring 146. Das Sensorelement 101 befindet sich auf einer Mittelachse des eingekapselten Elementkörpers 141, so dass es durch den eingekapselten Elementkörper 141 in der Vorne-hinten-Richtung verläuft. Der innere Zylinder 143 weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143a, der so ausgebildet ist, dass er den Grünpresskörper 145b in einer Richtung der Mittelachse des inneren Zylinders 143 drückt, und einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143b auf, der so ausgebildet ist, dass er die Keramikhalter 144a bis 144c und die Grünpresskörper 145a und 145b mittels des Metallrings 146 vorwärts drückt. Die Druckkraft von den Abschnitten mit vermindertem Durchmesser 143a und 143b führt dazu, dass die Grünpresskörper 145a und 145b zwischen der Haupthalterung 142 oder dem inneren Zylinder 143 und dem Sensorelement 101 zusammengedrückt werden. Die Grünpresskörper 145a und 145b dichten demgemäß die Sensorelementkammer 133 in der Schutzabdeckung 130 von einem Raum 149 in dem äußeren Zylinder 148 ab, während sie das Sensorelement 101 fixieren.
Die Mutter 147 ist koaxial an der Haupthalterung 142 fixiert und weist einen Außengewindeabschnitt auf, der auf deren Außenumfangsoberfläche ausgebildet ist. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 147 ist in ein Befestigungselement 191 eingesetzt, das an die Leitung 190 geschweißt ist und so ausgebildet ist, dass es einen Innengewindeabschnitt auf dessen Innenumfangsoberfläche aufweist. Der Gassensor 100 ist demgemäß an der Leitung 190 in einem Zustand fixiert, bei dem das vordere Ende des Sensorelements 101 und die Schutzabdeckung 130 des Gassensors 100 in die Leitung 190 vorragen.
Der äußere Zylinder 148 ist so bereitgestellt, dass er einen Randbereich des inneren Zylinders 143, des Sensorelements 101 und des Verbinders 150 bedeckt. Eine Mehrzahl von Anschlussdrähten 155, die mit dem Verbinder 150 verbunden sind, ist von einem hinteren Ende des äußeren Zylinders 148 nach außen geführt. Die Anschlussdrähte 155 sind elektrisch mit jeweiligen Elektroden (später beschrieben) des Sensorelements 101 mittels des Verbinders 150 verbunden. Ein Zwischenraum zwischen dem äußeren Zylinder 148 und den Anschlussdrähten 155 ist durch einen Kautschukstopfen 157 abgedichtet. Der Raum 149 in dem äußeren Zylinder 148 ist mit einem Referenzgas gefüllt (Luft in der Ausführungsform). Das hintere Ende des Sensorelements 101 ist in dem Raum 149 angeordnet.
Das Sensorelement 101 ist ein Element eines Schichtkörpers, in dem sechs Schichten, die aus einem Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), hergestellt sind, einschließlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, in dieser Reihenfolge ausgehend von der Unterseite der Zeichnung gestapelt sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Das so aufgebaute Sensorelement 101 kann z.B. durch Herstellen von Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, die z.B. einer vorgegebenen Verarbeitung und einem vorgegebenen Drucken einer Schaltkreisstruktur unterzogen worden sind, Stapeln der verarbeiteten Grünlagen und Brennen der gestapelten Grünlagen zur Integration hergestellt werden.
Eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster Diffusionseinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionseinstellabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionseinstellabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionseinstellabschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 sind so ausgebildet, dass sie aneinander angrenzen und in dieser Reihenfolge an einem Ende (linkes Ende in der 2) des Sensorelements 101 und zwischen einer unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in Verbindung stehen.
Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 werden als Innenräume des Sensorelements 101 durch Ausschneiden der Abstandshalterschicht 5 derart gebildet, dass sie einen oberen Abschnitt, der durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt ist, einen unteren Abschnitt, der durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, und einen Seitenabschnitt, der durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt ist, aufweist.
Jeder des ersten Diffusionseinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionseinstellabschnitts 13 und des dritten Diffusionseinstellabschnitts 30 ist in der Form von zwei horizontal langen Schlitzen bereitgestellt (wobei die Längsrichtung von deren Öffnungen die Richtung senkrecht zu der Lagenoberfläche ist). Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist in der Form eines horizontal langen Schlitzes bereitgestellt (wobei die Längsrichtung von dessen Öffnung die Richtung senkrecht zu der Lagenoberfläche ist), der als Zwischenraum von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist. Ein Bereich von der Gaseinlassöffnung 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als ein Messgas-Strömungsabschnitt bezeichnet.
Eine Lufteinführungsschicht 48 ist zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 ist z.B. aus einem keramischen porösen Material, wie z.B. Aluminiumoxid, hergestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 weist eine hintere Endoberfläche auf, die als Einlassabschnitt 48c dient, und der Einlassabschnitt 48c liegt zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 frei. Der Einlassabschnitt 48c liegt zu dem Raum 149 frei, der in der 1 gezeigt ist (vgl. die 1). Das Referenzgas zum Messen der NOx-Konzentration wird durch den Einlassabschnitt 48c in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt. Das Referenzgas ist in dieser Ausführungsform Luft (Atmosphäre in dem Raum 149 in der 1). Darüber hinaus ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Lufteinführungsschicht 48 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Referenzgas aus, das von dem Einlassabschnitt 48c eingeführt wird, und führt das Referenzgas, auf das ein Widerstand ausgeübt worden ist, in die Referenzelektrode 42 ein. Die Lufteinführungsschicht 48 kann eine Dicke von 10 µm oder mehr und 30 µm oder weniger aufweisen. Die Lufteinführungsschicht 48 kann eine Porosität von 10 Volumen-% oder mehr und 50 Volumen-% oder weniger aufweisen.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zwischen der obere Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Lufteinführungsschicht 48 ist in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 in der vorstehend beschriebenen Weise ausgebildet. Die Referenzelektrode 42 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, und ein verbleibender Teil der Referenzelektrode 42, der von dem Teil verschieden ist, der mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 in Kontakt ist, ist durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt. Es muss jedoch mindestens ein Teil der Referenzelektrode 42 durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt sein. Darüber hinaus sind, wie es später beschrieben ist, die Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) in dem ersten inneren Hohlraum 20, in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und in dem dritten inneren Hohlraum 61 mittels der Referenzelektrode 42 messbar. Die Referenzelektrode 42 ist als eine poröse Cermetelektrode ausgebildet (z.B. einer Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂).
In dem Messgas-Strömungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Bereich, der zu einem Außenraum hin offen ist und ist so angeordnet, dass das Messgas von dem Außenraum durch die Gaseinlassöffnung 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird. Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das von der Gaseinlassöffnung 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgases, das von dem ersten Diffusionseinstellabschnitt 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Im Verlauf des Einführens des Messgases von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 wird das Messgas, das durch eine Druckvariation des Messgases in dem Außenraum (Pulsieren des Abgasdrucks in einem Fall, bei dem das Messgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) schnell von der Gaseinlassöffnung 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 nach dem Beseitigen einer Konzentrationsvariation des Messgases durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt. Dies vermindert die Konzentrationsvariation des Messgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, auf ein im Wesentlichen vernachlässigbares Niveau. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Regulieren des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas, das durch den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt wird, bereitgestellt. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch Betreiben einer Hauptpumpzelle 21 reguliert.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 22a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, eine äußere Pumpelektrode 23, die in einem Bereich, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a auf einer oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, bereitgestellt ist, die einem Außenraum (Sensorelementkammer 133 in der 1) ausgesetzt werden soll, und die zweite Festelektrolytschicht 6 aufweist, die zwischen diesen Elektroden 22 und 23 angeordnet ist.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf den oberen und unteren Festelektrolytschichten (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten inneren Hohlraum 20 und die Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwand bildet, festlegen. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Fläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (in den Darstellungen weggelassen) sind derart auf den Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, dass der obere Elektrodenabschnitt 22a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 22b verbunden ist und eine tunnelartige Struktur in dem Bereich gebildet wird, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte bereitgestellt sind.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind als poröse Cermetelektroden ausgebildet (z.B. Cermetelektroden aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthalten). Die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgas in Kontakt ist, ist aus einem Material hergestellt, das ein vermindertes Reduktionsvermögen bezüglich der NOx-Komponente in dem Messgas aufweist.
Die Hauptpumpzelle 21 kann Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen einer gewünschten Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23, und dadurch, dass ein Pumpstrom Ip0 in einer positiven Richtung oder einer negativen Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 fließt.
Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre des ersten inneren Hohlraums 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80.
Die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 bestimmt. Der Pumpstrom Ip0 wird durch eine Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 25 geregelt, so dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Dies hält die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert.
Der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, wobei die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt wird, und das Messgas, auf das ein Widerstand ausgeübt worden ist, zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 leitet.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als ein Raum zum weiteren Regulieren des Sauerstoffpartialdrucks mittels einer Hilfspumpzelle 50 in Bezug auf das Messgas, das durch den dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 nach dem Regulieren der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, bereitgestellt. Dies hält die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant und ermöglicht folglich dem Gassensor 100, die NOx-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit zu messen.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23 (oder jedwede geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 anstelle der äußeren Pumpelektrode 23) und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist so bereitgestellt, dass sie wie die innere Pumpelektrode 22, die in dem ersten inneren Hohlraum 20 bereitgestellt ist, eine tunnelartige Struktur aufweist, und ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. D.h., der obere Elektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 51b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, die eine untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (in den Darstellungen weggelassen) sind auf Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden, so dass der obere Elektrodenabschnitt 51a mit dem unteren Elektrodenabschnitt 51b verbunden ist und eine tunnelartige Struktur bereitgestellt wird. Wie die innere Pumpelektrode 22 ist die Hilfspumpelektrode 51 aus einem Material mit einem verminderten Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgas hergestellt.
Die Hilfspumpzelle 50 kann Sauerstoff in der Atmosphäre von dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen, und zwar durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23.
Zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre des zweiten inneren Hohlraums 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hilfspumpsteuerung 81.
Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen bei einer variablen Stromversorgung 52 mit einer Spannungssteuerung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1 durch, die durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hilfspumpsteuerung 81 erfasst worden ist. Dies stellt den Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen so niedrigen Partialdruck ein, dass dieser die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Zusätzlich wird deren Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Hauptpumpsteuerung 80 eingespeist, um deren elektromotorische Kraft V0 zu steuern. Diese Steuerung hält eine konstante Steigung des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgas aufrecht, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird. In einem Fall, bei dem der Gassensor 100 als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf einem konstanten Niveau von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist ein Bereich, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgas ausübt, wobei die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, und leitet das Messgas, auf das der Widerstand ausgeübt wurde, zu dem dritten inneren Hohlraum 61. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 dient zur Beschränkung der Menge von NOx, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als ein Raum zum weiteren Durchführen eines Verfahrens mit dem Messgas, das durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, bereitgestellt, wobei das Verfahren die Messung der Konzentration von Stickstoffoxiden (NOx) in dem Messgas betrifft. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 durchgeführt.
Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44 umfasst, die direkt auf einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 gerichtet ist. Die erste Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 44 dient auch als NOx-reduzierender Katalysator zum Reduzieren des NOx, das in der Atmosphäre des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt.
Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxiden in der Umgebungsatmosphäre der Messelektrode 44 erzeugt wird, hinauspumpen und die Erzeugungsmenge des Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 erfassen.
Zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Randbereich der Messelektrode 44 bilden die erste Festelektrolytschicht 4, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82. Eine variable Stromerzeugung 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird.
Das Messgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, tritt durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 hindurch, wobei der Sauerstoffpartialdruck eingestellt wird, und erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61. Stickstoffoxide in dem Messgas in dem Randbereich der Messelektrode 44 werden zur Erzeugung von Sauerstoff reduziert (2NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die Messpumpzelle 41 unterzogen. In diesem Verfahren wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant gehalten wird. Da die Menge von Sauerstoff, der in dem Randbereich der Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zu der Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas ist, wird die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas durch die Verwendung des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 41 berechnet.
Die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 bilden eine elektrochemische Sensorzelle 83. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgas außerhalb des Sensors ist mittels der elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) erfassbar, die durch diese Sensorzelle 83 erhalten wird.
Zusätzlich bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Referenzgasregulierpumpzelle 90. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 führt ein Pumpen mittels eines Steuerstroms Ip3 durch, der mittels einer Steuerspannung Vp3 fließt, die durch eine Stromversorgungsschaltung 92 angelegt wird, die zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 verbunden ist. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 pumpt demgemäß Sauerstoff von einem umgebenden Raum der äußeren Pumpelektrode 23 (Sensorelementkammer 133 in der 1) zu einem umgebenden Raum der Referenzelektrode 42 (Lufteinführungsschicht 48).
In dem Gassensor 100, der den vorstehend genannten Aufbau aufweist, empfängt die Messpumpzelle 41 das Messgas, bei dem der Sauerstoffpartialdruck bei einem konstanten Wert gehalten ist (einem Wert, der die Messung von NOx nicht wesentlich beeinflusst), durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50. Demgemäß ist die NOx-Konzentration in dem Messgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 bestimmbar, der durch die Messpumpzelle 41 durch Hinauspumpen von Sauerstoff fließt, der durch die Reduktion von NOx etwa proportional zur Konzentration von NOx in dem Messgas erzeugt wird.
Zusätzlich ist das Sensorelement 101 mit einer Heizeinrichtungseinheit 70 versehen, die zum Einstellen einer Temperatur zum Erwärmen des Sensorelements 101 und zum Warmhalten des Sensorelements 101 dient, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74, ein Druckablassloch 75 und einen Anschlussdraht 76.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass sie mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt ist. Das Verbinden der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromversorgung ermöglicht das Zuführen von externem Strom zu der Heizeinrichtungseinheit 70.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mittels des Anschlussdrahts 76 und des Durchgangslochs 73 verbunden und erzeugt Wärme durch eine externe Stromzufuhr durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, so dass der Festelektrolyt, der in das Sensorelement 101 einbezogen ist, erwärmt wird und der Festelektrolyt warmgehalten wird.
Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiviert ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht aus porösem Aluminiumoxid, die aus einem Isoliermaterial, wie z.B. Aluminiumoxid, auf oberen und unteren Oberflächen der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist so ausgebildet, dass sie eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 bereitstellt.
Das Druckablassloch 75 ist ein Bereich, der so bereitgestellt ist, dass er durch die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 verläuft, und ist so bereitgestellt, dass es eine Zunahme des Innendrucks, die mit einem Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 einhergeht, beseitigt.
Die variablen Stromversorgungen 25, 46 und 52 und der Stromversorgungsschaltkreis 92, die in der 2 und dergleichen gezeigt sind, sind in der Praxis mit den jeweiligen Elektroden mittels Anschlussdrähten (nicht gezeigt), die in dem Sensorelement 101 ausgebildet sind, und dem Verbinder 150 und den Anschlussdrähten 155, die in der 1 gezeigt sind, verbunden.
Nachstehend ist ein Beispiel für ein Verfahren zur Herstellung des Gassensors 100 beschrieben. Zuerst werden sechs ungebrannte Keramikgrünlagen hergestellt, die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid, als Keramikkomponente enthalten. Eine Mehrzahl von Lagenlöchern, die zum Positionieren beim Drucken oder beim Stapeln verwendet werden, eine Mehrzahl von erforderlichen Durchgangslöchern und dergleichen werden im Vorhinein in den jeweiligen Grünlagen ausgebildet. Ein Raum, der den Messgas-Strömungsabschnitt bildet, wird im Vorhinein z.B. durch Stanzen in der Grünlage für die Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt. Anschließend werden ein Strukturdruckverfahren und ein Trocknungsverfahren zur Bildung von verschiedenen Strukturen in den jeweiligen Keramikgrünlagen durchgeführt, die jeweils der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 entsprechen. Insbesondere umfassen die gebildeten Strukturen z.B. die jeweiligen Elektroden, die vorstehend beschrieben worden sind, Anschlussdrähte, die eine Verbindung mit den jeweiligen Elektroden herstellen, die Lufteinführungsschicht 48 und die Heizeinrichtungseinheit 70. Das Strukturdrucken wird durch Aufbringen einer Strukturbildungspaste, die gemäß den Eigenschaften bereitgestellt wird, die für jeden Gegenstand auf der Grünlage erforderlich sind, mit einer bekannten Siebdrucktechnik durchgeführt. Das Trocknungsverfahren nutzt ebenfalls jedwede bekannte Trocknungstechnik. Nach dem Ende des Strukturdruckens und Trocknens führt das Verfahren einen Druck- und Trocknungsvorgang zum Drucken und Trocknen einer Haftmittelpaste zum Stapeln und Verbinden der Grünlagen aus, die den jeweiligen Schichten entsprechen. Das Verfahren führt dann einen Pressverbindungsvorgang zum Positionieren der jeweiligen Grünlagen mit der Haftmittelpaste durch Ausrichten der Lagenlöcher, zum Stapeln der jeweiligen Grünlagen in einer vorgegebenen Abfolge und zum Druckverbinden der jeweiligen Grünlagen bei vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zur Bildung eines Schichtkörpers durch. Der resultierende Schichtkörper umfasst eine Mehrzahl von Sensorelementen 101. Der Schichtkörper wird zur Größe der Sensorelemente 101 geschnitten. Jedes ausgeschnittene Stück des Schichtkörpers wird bei einer vorgegebenen Brenntemperatur gebrannt, so dass das Sensorelement 101 bereitgestellt wird.
Nach dem Erhalten des Sensorelements 101 erzeugt das Verfahren die Sensoranordnung 140 (vgl. die 1) mit dem darin vorliegenden Sensorelement 101 und montiert die Komponenten, wie z.B. die Schutzabdeckung 130 und den Kautschukstopfen 157, an der Sensoranordnung 140, so dass der Gassensor 100 vervollständigt wird.
Nachstehend werden die Funktionen der Referenzgasregulierpumpzelle 90 detailliert beschrieben. Das Messgas wird von der Sensorelementkammer 133, die in der 1 gezeigt ist, zu dem Messgas-Strömungsabschnitt des Sensorelements 101, der z.B. die Gaseinlassöffnung 10 umfasst, eingeführt. Das Referenzgas (Luft) in dem in der 1 gezeigten Raum 149 wird andererseits in die Lufteinführungsschicht 48 des Sensorelements 101 eingeführt. Die Sensorelementkammer 133 und der Raum 149 werden durch die Sensoranordnung 140 (insbesondere die Grünlagen 145a und 145b) voneinander getrennt und abgedichtet, so dass das Strömen eines Gases zwischen diesen verhindert wird. Wenn der Druck des Messgases vorübergehend erhöht wird, kann das Messgas jedoch geringfügig in den Raum 149 eintreten. Dies bewirkt eine vorübergehende Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 und führt dadurch zu einer Veränderung des Referenzpotenzials, welches das Potenzial der Referenzelektrode 42 ist. Dies kann eine Spannung auf der Basis der Referenzelektrode 42 verändern, wie z.B. die Spannung V2 der Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82, und die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration in dem Messgas vermindern. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 dient zum Unterdrücken einer solchen Verminderung der Erfassungsgenauigkeit. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 pumpt Sauerstoff von dem Randbereich der äußeren Pumpelektrode 23 zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 durch das Fließen des Steuerstroms Ip3 durch Anlegen der Steuerspannung Vp3 zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 hinein. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kompensiert dies eine Verminderung des Sauerstoffs und unterdrückt eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, wenn die Sauerstoffkonzentration des Messgases in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 vorübergehend vermindert worden ist.
Der Stromversorgungsschaltkreis 92 der Referenzgasregulierpumpzelle 90 legt eine Spannung, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, als die Steuerspannung Vp3 an. Folglich gibt es einen ersten Zeitraum, während dem die Spannung Vref zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 einen großen Wert aufweist (= Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23), und einen zweiten Zeitraum, während dem die Spannung Vref einen kleinen Wert aufweist. Die 3 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine zeitliche Veränderung der Steuerspannung Vp3 und der Spannung Vref zeigt. Der obere Teil von 3 zeigt eine zeitliche Veränderung der Steuerspannung Vp3, und der untere Teil zeigt eine zeitliche Veränderung der Spannung Vref. Die Steuerspannung Vp3 und die Spannung Vref sind positiv, wenn das Potenzial der Referenzelektrode 42 höher ist als dasjenige der äußeren Pumpelektrode 23, und die Aufwärtsrichtung der vertikalen Achse in der 3 ist eine positive Richtung. Wie es in der 3 gezeigt ist, ist die Steuerspannung Vp3 eine Spannung mit einer Pulswellenform, die in einem Zyklus T wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird. Beispielsweise wenn die Steuerspannung Vp3 zum Zeitpunkt t1 auf den Ein-Zustand eingestellt wird, steigt die Steuerspannung Vp3 von 0 V zu einer maximalen Spannung Vp3max an, und dieser Zustand wird bis zum Zeitpunkt t4 fortgesetzt, bei dem eine Ein-Zeit Ton folgt. Wenn die Steuerspannung Vp3 zum Zeitpunkt t4 auf den Aus-Zustand eingestellt wird, bleibt die Steuerspannung Vp3 bis zum Zeitpunkt t7 bei 0 V, bei dem eine Aus-Zeit Toff folgt. Mit dieser Steuerspannung Vp3 beginnt die Spannung Vref zum Zeitpunkt t1 anzusteigen, so dass sie zum Zeitpunkt t4 eine maximale Spannung Vrefmax wird, und beginnt zum Zeitpunk t4 abzufallen, so dass sie zu dem Zeitpunkt t7 eine minimale Spannung Vrefmim wird. Dabei wird eine Differenz zwischen der maximalen Spannung Vrefmax und der minimalen Spannung Vrefmim der Spannung Vref, die durch die Steuerspannung Vp3 erzeugt wird, die auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand eingestellt ist, als 100 % festgelegt, und durch die Verwendung derselben als Standard werden ein Anstiegszeitraum, der erste Zeitraum, ein Abfallzeitraum und der zweite Zeitraum der Spannung Vref festgelegt. Insbesondere wird ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref von 10 % auf 90 % ansteigt (Zeit t2 bis t3) als der Anstiegszeitraum festgelegt, und dessen Länge wird als Anstiegszeit Tr festgelegt. Ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref bei 90 % oder mehr verbleibt (Zeit t3 bis t5), wird als der erste Zeitraum festgelegt und dessen Länge wird als erste Zeit T1 festgelegt. Ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref von 90 % auf 10 % fällt (Zeit t5 bis t6), wird als der Abfallzeitraum festgelegt und dessen Länge wird als Abfallzeit Tf festgelegt. Ein Zeitraum, ab dem die Spannung Vref auf 10 % fällt, bis die Spannung Vref als Reaktion darauf, dass die Steuerspannung Vp3 in dem nächsten Zyklus (Zeit t6 bis t7) auf den Ein-Zustand eingestellt wird, anzusteigen beginnt, wird als der zweite Zeitraum festgelegt und dessen Länge wird als eine zweite Zeit T2 festgelegt. Die Spannung Vref zu Beginn des zweiten Zeitraums, d.h., die Spannung, die erhalten wird, wenn die Spannung Vref auf 10 % fällt, wird als Abfallspannung V10 festgelegt. Es sollte beachtet werden, dass die Spannung Vref in der 3 die maximale Spannung Vrefmax für die erste Zeit zu dem Zeitpunkt t4 wird, bei dem die Steuerspannung Vp3 fällt. In einem Fall, bei dem die Ein-Zeit lang ist, kann die Spannung Vref die maximale Spannung Vref jedoch vor dem Zeitpunkt t4 erreichen.
Die Messpumpzelle 41 erfasst die NOx-Konzentration in dem Messgas auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums. Insbesondere erfasst während des zweiten Zeitraums die Messpumpzelle 41 die Spannung V2, führt eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 durch, so dass die Spannung V2 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten wird, und erfasst den Wert des Pumpstroms Ip2, der mittels der Spannung Vp2 fließt. Da die Messpumpzelle 41 auf diese Weise die NOx-Konzentration (hier den Pumpstrom Ip2) während des zweiten Zeitraums erfasst, kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, die durch die Steuerspannung Vp3 verursacht wird, die für das Hineinpumpen von Sauerstoff zu der Messelektrode 44 verwendet wird, verhindert werden. Beispielsweise wird ein Fall betrachtet, bei dem die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration während des ersten Zeitraums misst. In diesem Fall wird, da die Steuerspannung Vp3 während des ersten Zeitraums auf den Ein-Zustand eingestellt wird, anders als während des zweiten Zeitraums die Spannung Vref so verändert, dass sie höher ist als eine Spannung Vref*, die ein angenommener Wert ist (eine Spannung auf der Basis einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Randbereich der Referenzelektrode 42 und dem Randbereich der äußeren Pumpelektrode 23). Dies verändert das Potenzial der Referenzelektrode 42 und verändert auch die Spannung V2. Demgemäß ist es, wenn die Messpumpzelle 41 den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 während des ersten Zeitraums fließen lässt, wahrscheinlich, dass der Pumpstrom Ip2 von dem korrekten Wert, der die NOx-Konzentration darstellt, abweicht, und dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration vermindert ist. Im Gegensatz dazu beeinflusst während des zweiten Zeitraums die Steuerspannung Vp3 das Potenzial der Referenzelektrode 42 weniger als während des ersten Zeitraums. Insbesondere ist die Spannung Vref während des zweiten Zeitraums, nachdem die Spannung Vref gefallen ist, ein Wert näher an der Spannung Vref* als die Spannung Vref während des ersten Zeitraums. Folglich kann durch die Messpumpzelle 41, welche die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums misst, eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration unterdrückt werden.
Wie es in der 3 gezeigt ist, wird die Spannung Vref dadurch vermindert, dass ab dem Zeitpunkt, bei dem die Steuerspannung Vp3 auf den Aus-Zustand eingestellt wird, eine lange Zeit vergeht. Es wird davon ausgegangen, dass dies z.B. auf eine Kapazitätskomponente der Referenzelektrode 42 oder dergleichen zurückzuführen ist. Folglich kann selbst während des zweiten Zeitraums eine Restspannung Vrs, die aus der Steuerspannung Vp3 resultiert, zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 vorliegen. In diesem Fall ist z.B. die Spannung Vref während des zweiten Zeitraums die Summe der Spannung Vref* und der Restspannung Vrs. Da die Restspannung Vrs das Potenzial der Referenzelektrode 42 beeinflusst, ist es wahrscheinlich, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration erhöht wird, wenn die Restspannung Vrs vermindert wird. Daher ist die Restspannung Vrs vorzugsweise so niedrig wie möglich. Beispielsweise ist die Abfallspannung V10 vorzugsweise so niedrig wie möglich und die minimale Spannung Vrefmin ist vorzugsweise so niedrig wie möglich. Da die Restspannung Vrs im Zeitverlauf auch während des zweiten Zeitraums vermindert ist, ist es darüber hinaus wahrscheinlich, dass die Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration effektiver unterdrückt wird, wenn die Zeit näher an dem Ende des zweiten Zeitraums liegt (t7 in der 3). Demgemäß erfasst die Messpumpzelle 41 vorzugsweise die NOx-Konzentration bei einem Zeitpunkt, der so spät wie möglich während des zweiten Zeitraums liegt. Ferner ist in den zweiten Zeitraum vorzugsweise ein Zeitraum einbezogen, der für die Messpumpzelle 41 erforderlich ist, um die NOx-Konzentration zu erfassen (z.B. der vorstehend beschriebene Zeitraum von der Erfassung der Spannung V2 zu der Erfassung des Werts des Pumpstroms Ip2). Die Messpumpzelle 41 erfasst vorzugsweise die NOx-Konzentration in demselben Zyklus T wie das Einstellen der Steuerspannung Vp3 auf den Ein-Zustand und Aus-Zustand. Auf diese Weise kann die NOx-Konzentration mit demselben zeitlichen Ablauf während des zweiten Zeitraums bei jedem Zyklus T wiederholt erfasst werden.
Als Index einer niedrigen Restspannung Vrs beträgt die Restspannung DVref des Gassensors 100, die gemäß der folgenden Formel (1) berechnet wird, vorzugsweise 40 mV oder weniger. $DVref = Vref1 - Vref 0$
(wobei Vref1 eine minimale Spannung [mV] der Spannung Vref in einem Zustand ist, bei dem das Sensorelement 101 in der Luft angeordnet ist und bei dem die Steuerspannung Vp3 wiederholt auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand eingestellt wird, und
Vref0 eine Spannung [mV] der Spannung Vref in einem Zustand ist, bei dem das Sensorelement 101 in der Luft angeordnet ist und bei dem die Steuerspannung Vp3 nicht angelegt ist.)
Die 4 ist ein erläuterndes Diagramm der Restspannung DVref. Wie es in der vorstehenden Definition und der 4 ersichtlich ist, entspricht die Spannung Vref1 dem Wert der minimalen Spannung Vrefmim während des zweiten Zeitraums in der 3, die in der Luft gemessen wird. Die Spannung Vref0 entspricht dem Wert der Spannung Vref* in der 3, die in der Luft gemessen wird. Die Restspannung DVref entspricht dem Wert des Minimums der Restspannung Vrs während des zweiten Zeitraums in der 3 (= minimale Spannung Vrefmin - Spannung Vref*), die in der Luft gemessen wird. In einem Fall, bei dem das Sensorelement 101 in der Luft angeordnet ist, ist der Wert der Spannung Vref0 theoretisch 0, da keine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Randbereich der äußeren Pumpelektrode 23 und dem Randbereich der Referenzelektrode 42 vorliegt. Der Wert der Spannung Vref0 ist jedoch tatsächlich nicht 0, und zwar als Ergebnis einer thermoelektromotorischen Kraft aufgrund einer Temperaturdifferenz zwischen Elektroden oder dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass, da eine thermoelektromotorische Kraft mit demselben Wert auch in die Spannung Vref1 einbezogen ist, der Wert der thermoelektromotorischen Kraft nicht die Restspannung DVref beeinflusst. In technischer Hinsicht umfasst die vorstehend beschriebene Spannung Vref* in der 3 auch die thermoelektromotorische Kraft. Solange die Restspannung DVref des Gassensors 100 40 mV oder weniger beträgt, ist die Restspannung Vrs in dem Messgas während des zweiten Zeitraums ausreichend niedrig, und demgemäß ist es wahrscheinlich, dass die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Beispielsweise wenn die Restspannung DVref 40 mV übersteigt, kann selbst dann, wenn die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration zu dem spätestmöglichen Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums erfasst, die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration vermindert werden. Solange die Restspannung DVref jedoch 40 mV oder weniger beträgt, kann eine solche Verminderung unterdrückt werden. Darüber hinaus kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration umso effektiver unterdrückt werden, je niedriger die Restspannung DVref ist. Alternativ kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration umso effektiver unterdrückt werden, je niedriger die Restspannung DVref ist, selbst wenn der Zeitpunkt der Erfassung der NOx-Konzentration relativ früh in dem zweiten Zeitraum liegt. Die Restspannung DVref beträgt mehr bevorzugt 35 mV oder weniger.
Die Spannungen Vref0 und Vref1 werden wie folgt gemessen. Zuerst wird das Sensorelement 101 in der Luft angeordnet und die Heizeinrichtung 72 wird mit Strom versorgt, so dass das Sensorelement 101 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur (z.B. 800 °C) erwärmt wird. An die variablen Stromversorgungen 25, 46 und 52 und den Stromversorgungsschaltkreis 92 wird keine Spannung angelegt. Dann wird, nachdem die Temperatur des Sensorelements 101 stabil geworden ist, die Spannung Vref gemessen, und deren Wert wird als die Spannung Vref0 eingestellt. Dann wird damit begonnen, die Steuerspannung Vp3 unter Verwendung des Stromversorgungsschaltkreises 92 auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand einzustellen, so dass damit begonnen wird, Sauerstoff von der äußeren Pumpelektrode 23 zu der Referenzelektrode 42 hineinzupumpen. Dann wird die Spannung Vref in dem zweiten Zeitraum eine Minute nach dem Beginn des Hineinpumpens gemessen und der minimale Wert davon wird als die Spannung Vref1 eingestellt.
Der Gassensor 100 erfüllt vorzugsweise die folgende Formel (2). $T2 \geq 1,4851 \times In (Ip3max) - 4,0296$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, welche die Länge des zweiten Zeitraums ist, und Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt.)
Die Wellenform des Steuerstroms Ip3, der mittels der Steuerspannung Vp3 in der Referenzelektrode 42 fließt, weist im Prinzip dieselbe Phase wie die Wellenform der in der 3 gezeigten Spannung Vref auf. Der Spitzenstrom Ip3max ist der Wert des Steuerstroms Ip3, der fließt, wenn die Spannung Vref die maximale Spannung Vrefmax wird. Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn die zweite Zeit T2 länger ist, die Restspannung Vrs in der 3 im Zeitverlauf während des zweiten Zeitraums vermindert wird, und es folglich wahrscheinlich ist, dass die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Andererseits ist es wahrscheinlich, dass die Restspannung Vrs während des zweiten Zeitraums erhöht ist, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist. Demgemäß ist es wahrscheinlich, dass die zweite Zeit T2, die für eine Verminderung der Restspannung Vrs erforderlich ist, länger ist, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist. Solange der Gassensor 100 die vorstehende Formel (2) erfüllt, ist die zweite Zeit T2 ausreichend lang, und zwar durch Berücksichtigen der Größe des Werts des Spitzenstroms Ip3max, und demgemäß ist es wahrscheinlich, dass die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit erfasst wird. Die Formel (2) wird auf der Basis von später beschriebenen experimentellen Beispielen erhalten. Es ist wahrscheinlich, dass der Gassensor 100, der die Formel (2) erfüllt, die Restspannung DVref von 40 mV oder weniger aufweist.
Der Gassensor 100 erfüllt vorzugsweise die folgende Formel (3) oder die folgende Formel (4). $T2 \leq 1,685 \times In (Ip3max) + 0,9899$
$T2 \leq 0,0011 \times Ip3max + 7,58$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, welche die Länge des zweiten Zeitraums ist,
Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt, und
die Formel (3) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max ≤ 50 µA ist, und
die Formel (4) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max > 50 µA ist.)
Es sollte beachtet werden, dass der Durchschnitt des Steuerstroms Ip3, der in der Referenzelektrode 42 mittels der Steuerspannung Vp3 fließt, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird (durchschnittlicher Strom im Zyklus T), erhöht wird, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist, und vermindert wird, wenn die zweite Zeit T2 länger ist. Darüber hinaus ist es dann, wenn der Durchschnitt des Steuerstroms Ip3, der in der Referenzelektrode 42 fließt, gering ist, wahrscheinlich, dass ein Effekt des Kompensierens einer Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 unzureichend wird. Solange der Gassensor 100 die vorstehende Formel (3) oder Formel (4) erfüllt, wird die zweite Zeit T2 dadurch ausreichend kurz gemacht, dass die Größe des Werts des Spitzenstroms Ip3max (d.h., die Größe des Durchschnitts des Steuerstroms Ip3) berücksichtigt wird, und demgemäß kann ein unzureichender Effekt des Kompensierens einer Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 unterdrückt werden. Die Formel (3) und die Formel (4) werden auf der Basis der später beschriebenen experimentellen Beispiele erhalten. Der Spitzenstrom Ip3max kann 5 µA oder mehr oder 10 µA oder mehr betragen. Der Spitzenstrom Ip3max kann 300 µA oder weniger oder 150 µA oder weniger betragen. Der Wert des Durchschnitts des Steuerstroms Ip3 kann im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen auf der Basis dessen bestimmt werden, wie stark die Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 vermindert wird (wie viel Sauerstoff in den Randbereich der Referenzelektrode 42 gepumpt werden muss), wenn der Druck des Messgases ein angenommenes Maximum aufweist. Daher kann der Spitzenstrom Ip3max durch Berücksichtigen des so bestimmten Durchschnitts des Steuerstroms Ip3 bestimmt werden.
Der Gassensor 100 erfüllt vorzugsweise die vorstehende Formel (2) und erfüllt vorzugsweise die vorstehende Formel (3) oder Formel (4).
Der Wert der maximalen Spannung Vp3max kann im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen so festgelegt werden, dass der Spitzenstrom Ip3max einen gewünschten Wert aufweist. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 kann den Spitzenstrom Ip3max bei einem vorgegebenen Zeitpunkt während der Verwendung des Gassensors 100 erfassen und kann den Wert der maximalen Spannung Vp3max auf der Basis des erfassten Werts einstellen. Der vorgegebene Zeitpunkt kann unmittelbar nach dem Beginn der Verwendung des Gassensors 100 sein oder jede Zeit, nachdem ein vorgegebener Zeitraum während der Verwendung vergangen ist. Der Zyklus T der Steuerspannung Vp3 kann z.B. 5 ms oder mehr und 50 ms oder weniger betragen. Die Einschaltdauer, die das Verhältnis zwischen dem Zyklus T und der Ein-Zeit Ton (Ton/T) ist, kann 0,1 oder mehr und 0,8 oder weniger betragen. Die Aus-Zeit Toff kann 2 ms oder mehr und 10 ms oder weniger betragen. Die Referenzgasregulierpumpzelle 90 kann mindestens irgendeines des Zyklus T, der Einschaltdauer und der Aus-Zeit Toff während der Verwendung des Gassensors 100 verändern.
Beispielsweise kann durch Vermindern der maximalen Spannung Vrefmax die Restspannung Vrs während des zweiten Zeitraums im Allgemeinen vermindert werden. Verfahren zum Vermindern der maximalen Spannung Vrefmax umfassen das Vermindern der maximalen Spannung Vp3max und das Vermindern der Ein-Zeit Ton. Durch Erhöhen der Aus-Zeit Toff zum Erhöhen der zweiten Zeit T2 kann die Differenz zwischen der minimalen Spannung Vrefmim und der Spannung Vref* vermindert werden, oder die Restspannung DVref kann vermindert werden. Die Restspannung Vrs während des zweiten Zeitraums kann im Allgemeinen durch Durchführen von mindestens einem einer Verminderung der Abfallzeit Tf und einer Verminderung der Abfallspannung V10 vermindert werden. Als Verfahren zum Vermindern der Abfallzeit Tf kann z.B. eine Zeitkonstante τ (= R × C) des Schaltkreises der Referenzgasregulierpumpzelle 90 vermindert werden. Als Verfahren zum Vermindern der Zeitkonstante τ kann z.B. eine Fläche S der Referenzelektrode 42 vergrößert werden. Als Verfahren zum Vermindern der Abfallspannung V10 kann die maximale Spannung Vp3max vermindert werden oder die Widerstandskomponente in dem Schaltkreis der Referenzgasregulierpumpzelle 90 kann vermindert werden. Als Verfahren zum Vermindern der Widerstandskomponente in dem Schaltkreis der Referenzgasregulierpumpzelle 90 kann z.B. die Fläche S der Referenzelektrode 42 vergrößert werden.
Die Fläche S der Referenzelektrode 42 bezeichnet eine Fläche eines Teils der Referenzelektrode 42, die auf die Lufteinführungsschicht 48 gerichtet ist, und mit Flächen einer oberen Oberfläche und Seitenoberflächen der Referenzelektrode 42 gemäß dieser Ausführungsform identisch ist. Die Dicke in der vertikalen Richtung der Referenzelektrode 42 ist signifikant geringer als die Länge in der Vorne-hinten-Richtung und die Breite in der Links-rechts-Richtung der Referenzelektrode 42, so dass die Flächen der Seitenoberflächen (vordere, hintere, linke und rechte Oberflächen) der Referenzelektrode 42 vernachlässigbar sind. Daher ist der Wert der Fläche S in dieser Ausführungsform die Fläche der oberen Oberfläche der Referenzelektrode 42 (Länge in der Vorne-hinten-Richtung × Breite in der Links-rechts-Richtung). Wie es vorstehend beschrieben ist, können die Zeitkonstante τ und die Widerstandskomponente in dem Schaltkreis der Referenzgasregulierpumpzelle 90 kleiner sein, wenn die Fläche S größer ist, und diesbezüglich beträgt die Fläche S vorzugsweise 0,4 mm² oder mehr. Die Fläche S beträgt mehr bevorzugt 1,5 mm² oder mehr. Die Fläche S kann 5 mm² oder weniger betragen. Die Länge in der Vorne-hinten-Richtung, die Breite in der Links-rechts-Richtung und die Dicke der Referenzelektrode 42 sind nicht spezifisch beschränkt, jedoch kann die Länge in der Vorne-hinten-Richtung z.B. 0,2 bis 2 mm betragen, die Breite in der Links-rechts-Richtung kann z.B. 0,2 bis 2,5 mm betragen und die Dicke kann z.B. 5 bis 30 µm betragen.
Wie in der Messpumpzelle 41 wird der Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 vorzugsweise in jedem Zyklus T und während des zweiten Zeitraums durchgeführt. Beispielsweise erfasst die Hauptpumpzelle 21 vorzugsweise die elektromotorische Kraft V0 und führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 auf der Basis der erfassten elektromotorischen Kraft V0 in jedem Zyklus T und während des zweiten Zeitraums durch. Die Hilfspumpzelle 50 erfasst vorzugsweise die elektromotorische Kraft V1 und führt eine Regelung der Pumpspannung Vp1 auf der Basis der erfassten elektromotorischen Kraft V1 in jedem Zyklus T und während des zweiten Zeitraums durch. Folglich ist es unwahrscheinlich, dass der Betrieb dieser Zellen durch eine Änderung des Potenzials der Referenzelektrode 42 beeinträchtigt wird, die durch die Steuerspannung Vp3 verursacht wird.
Nachstehend ist die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten gemäß dieser Ausführungsform und Komponenten gemäß der vorliegenden Erfindung angegeben. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen einem Schichtkörper gemäß der vorliegenden Erfindung; die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode; die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer Elektrode auf der Seite des Messgases; die Lufteinführungsschicht 48 entspricht einer Referenzgaseinführungsschicht; die Referenzgasregulierpumpzelle 90 entspricht einer Referenzgasreguliervorrichtung; und die Messpumpzelle 41 entspricht einer Erfassungsvorrichtung. Die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer Außenelektrode.
In dem Gassensor 100 der Ausführungsform, der vorstehend spezifisch beschrieben worden ist, legt die Referenzgasregulierpumpzelle 90 die Steuerspannung Vp3 so an, dass Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hineingepumpt wird. Dies kompensiert eine Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42. Ferner legt die Referenzgasregulierpumpzelle 90 auch die Steuerspannung Vp3 an, die wiederholt auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand eingestellt wird, und die Messpumpzelle 41 erfasst die NOx-Konzentration auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums. Dies unterdrückt eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, die durch die Steuerspannung Vp3 verursacht wird. Folglich kann der Gassensor 100 Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode 42 hineinpumpen und kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, die durch die Steuerspannung Vp3 verursacht wird, die zum Hineinpumpen verwendet wird, verhindern.
Darüber hinaus macht die Restspannung DVref 40 mV oder weniger die Restspannung Vrs in dem Messgas während des zweiten Zeitraums ausreichend niedrig. Dies macht es für den Gassensor 100 einfacher, die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen. Eine Restspannung DVref von 35 mV oder weniger macht es noch einfacher, die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen. Darüber hinaus macht es der Gassensor 100, der die Formel (2) erfüllt, einfacher, die spezifische Gaskonzentration während des zweiten Zeitraums mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen. Ferner ermöglicht der Gassensor 100, der die Formel (3) oder die Formel (4) erfüllt, das Unterdrücken eines unzureichenden Effekts der Kompensation zur Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann durch eine Vielzahl von anderen Konfigurationen implementiert werden, ohne von dem technischen Umfang der Erfindung abzuweichen.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Lufteinführungsschicht 48 von der Referenzelektrode 42 zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 in der Längsrichtung bereitgestellt, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die 5 ist ein schematisches Schnittdiagramm eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung dieses Falls. Wie es in der 5 gezeigt ist, umfasst das Sensorelement 201 einen Referenzgaseinführungsraum 43 oberhalb einer Lufteinführungsschicht 248. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist ein Raum, der zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt ist. Ferner sind Seitenabschnitte des Referenzgaseinführungsraums 43 durch Seitenoberflächen der Festelektrolytschicht 4 festgelegt. Ein hinteres Ende des Referenzgaseinführungsraums 43 ist zu einer hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 offen. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist so bereitgestellt, dass er in der Vorne-hinten-Richtung vor dem Druckablassloch 75 liegt, und das Druckablassloch 75 ist zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 hin offen. Anders als die Lufteinführungsschicht 48 ist die Lufteinführungsschicht 248 nicht für ein hinteres Ende des Sensorelements 201 bereitgestellt. Folglich liegt die Lufteinführungsschicht 248 nicht zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 frei. Stattdessen liegt ein Teil der oberen Oberfläche der Lufteinführungsschicht 248 zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 frei. Der freiliegende Abschnitt dient als Einlassabschnitt 48c der Lufteinführungsschicht 248. Das Referenzgas wird in die Lufteinführungsschicht 248 von dem Einlassabschnitt 48c durch den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeführt. Es sollte beachtet werden, dass ein hinteres Ende der Lufteinführungsschicht 248 für das hintere Ende des Sensorelements 201 in dem Sensorelement 201 bereitgestellt sein kann.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann, wie in dem vorstehend beschriebenen Sensorelement 201, das in der 5 gezeigt ist, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 gemäß der Modifizierung, die in der 5 gezeigt ist, sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste Diffusionseinstellabschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 derart bereitgestellt, dass sie in dieser Reihenfolge aneinander angrenzen und miteinander in Verbindung stehen. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 bereitgestellt. Die Messelektrode 44 wird dadurch gebildet, dass sie mit einem vierten Diffusionseinstellabschnitt 45 bedeckt ist. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 ist ein Film, der aus einem keramischen porösen Material, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), hergestellt ist. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 dient zur Beschränkung der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt, wie dies bei dem vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 gemäß der vorstehend beschriebene Ausführungsform der Fall ist. Darüber hinaus dient der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 auch als Schutzfilm der Messelektrode 44. Der obere Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Das Sensorelement 201, das einen solchen Aufbau aufweist, kann wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NOx-Konzentration durch die Verwendung der Messpumpzelle 41 erfassen.
Es sollte beachtet werden, dass in dem in der 5 gezeigten Sensorelement 201 keine Modifizierung mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 und der Lufteinführungsschicht 248 durchgeführt werden muss, und der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 und der dritte innere Hohlraum 61 wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bereitgestellt werden können. Darüber hinaus muss in dem Sensorelement 101 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Modifizierung des vierten Diffusionseinstellabschnitts 60 und des dritten inneren Hohlraums 61 durchgeführt werden, und derselbe Aufbau wie bei der Referenzgaseinführungsraum 43 und der Lufteinführungsschicht 248, der in der 5 gezeigt ist, kann eingesetzt werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpelektrode 23, die als die Außenelektrode der Messpumpzelle 41 dient, auch als die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90, jedoch ist dies nicht beschränkend. Die Außenelektrode der Messpumpzelle 41 und die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90 können separat auf der Außenoberfläche des Sensorelements 101 ausgebildet sein. Darüber hinaus ist, solange die Elektrode auf der Seite des Messgases der Referenzgasregulierpumpzelle 90 in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der dem Messgas in dem Sensorelement 101 ausgesetzt ist, die Bereitstellungsposition nicht auf die Außenoberfläche beschränkt. Beispielsweise kann die Elektrode auf der Seite des Messgases in dem Messgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so einstellt, dass die Spannung V2, die durch the Sauerstoffpartialdruckerfassungssensorzelle mit Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant gehalten wird, und die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgas wird mittels des gesteuerten Pumpstrom Ip2 berechnet. Dies ist jedoch nicht beschränkend, solange die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 erfasst wird. Beispielsweise können die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert werden, so dass sie eine elektrochemische Sensorzelle bilden, die als Sauerstoffpartialdruckerfassungsvorrichtung dient. Diese elektrochemische Sensorzelle kann eine Spannung gemäß einer Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, die durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Umgebungsatmosphäre der Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 erfasst werden, und dadurch die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgas bestimmt werden. In diesem Fall entspricht diese elektrochemische Sensorzelle der Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung.
Die Referenzelektrode 42 ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, jedoch ist dies nicht beschränkend. Beispielsweise kann die Referenzelektrode 42 direkt auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet sein.
Das Referenzgas ist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform Luft. Das Referenzgas ist jedoch nicht darauf beschränkt, sondern es kann sich um jedwedes Gas handeln, das als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet werden kann. Beispielsweise kann der Raum 149 mit einem Gas mit einer Sauerstoffkonzentration, die im Vorhinein auf einen vorgegebenen Wert eingestellt ist (> Sauerstoffkonzentration in dem Messgas) als das Referenzgas gefüllt sein.
Das Sensorelement 101 erfasst in der vorstehend beschriebene Ausführungsform die NOx-Konzentration in dem Messgas, jedoch ist dies nicht beschränkend. Das Sensorelement kann jedwede spezifische Gaskonzentration in dem Messgas erfassen, z.B. die Sauerstoffkonzentration in the Messgas.
BEISPIELE
Nachstehend sind konkrete Beispiele zur Herstellung von Gassensoren als Beispiele beschrieben. Die experimentellen Beispiele 1 bis 28 sind Beispiele der vorliegenden Erfindung. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt.
[Experimentelles Beispiel 1]
Der in den 1 und 2 gezeigte Gassensor 100 wurde durch das vorstehend beschriebene Herstellungsverfahren als experimentelles Beispiel 1 erzeugt. Die keramischen Grünlagen, die zur Herstellung des Sensorelements 101 verwendet wurden, wurden durch Bandgießen eines Gemischs aus Zirkoniumoxidteilchen, die 4 mol-% Yttriumoxid als Stabilisierungsmittel enthielten, mit einem organischen Bindemittel und einem organischen Lösungsmittel gebildet. Bei den Grünpresskörpern 145a und 145b, die in der 1 gezeigt sind, handelte es sich um gepresstes Talkpulver. Die Lufteinführungsschicht 48 wurde aus einer Aluminiumoxidkeramik hergestellt. Die Porosität der Lufteinführungsschicht 48 betrug 40 Volumen-%. Die Fläche S der Referenzelektrode 42 betrug 0,593 mm². Die Steuerspannung Vp3, die an den Stromversorgungsschaltkreis 92 der Referenzgasregulierpumpzelle 90 angelegt wurde, war eine Pulsspannung, wobei der Zyklus T 10 ms betrug, die Ein-Zeit Ton 6,0 ms betrug und die Aus-Zeit Toff 4,0 ms betrug. Das Maximum der Steuerspannung Vp3 (maximale Spannung Vp3max), die durch den Stromversorgungsschaltkreis 92 angelegt wurde, wurde auf einen Wert eingestellt, mit dem der Spitzenstrom Ip3max, der in der Referenzelektrode 42 mittels der Steuerspannung Vp3 floss, 30 µA betrug. Die Abfallzeit Tf der Spannung Vref der Sensorzelle 83 auf der Basis der Steuerspannung Vp3 betrug 2,0 ms und die zweite Zeit T2 betrug 2,0 ms. Der Zeitraum, die bis die Spannung Vref von 100 % auf 90 % fällt (Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 in er 3) war ein extrem niedriger Wert von weniger als 0,1 ms. Die Restspannung DVref, die durch das vorstehend beschriebene Messverfahren gemessen worden ist, betrug 36,0 mV.
[Experimentelle Beispiele 2 bis 28]
Gassensoren der experimentellen Beispiele 2 bis 28 wurden in der gleichen Weise wie im experimentellen Beispiel 1 für das Sensorelement 101 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Ein-Zeit Ton, die Aus-Zeit Toff und der Spitzenstrom Ip3max in verschiedenartiger Weise verändert wurden, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist. Der Spitzenstrom Ip3max wurde durch Verändern der maximalen Spannung Vp3max eingestellt. Folglich wurden in den experimentellen Beispielen 2 bis 28 die zweite Zeit T2 und die Restspannung DVref in verschiedenartiger Weise ausgehend von dem experimentellen Beispiel 1 verändert. Der Zyklus T der experimentellen Beispiele 2 bis 20, 22 bis 24 und 26 bis 28 wurde wie im experimentellen Beispiel 1 auf 10 ms eingestellt.
[Bewertung der Erfassungsgenauigkeit]
Der Gassensor des experimentellen Beispiels 1 wurde an einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs montiert. Die Heizeinrichtung 72 wurde dann mit Strom versorgt, so dass sie das Sensorelement 101 bei einer Temperatur von 800 °C erwärmte. Anschließend wurde ein Benzinmotor (1,8 L) des Kraftfahrzeugs unter vorgegebenen Bedingungen betrieben (die Drehzahl des Motors betrug 4500 U/min, das Luft/Kraftstoff-Verhältnis A/F betrug 11,0, das Lastdrehmoment betrug 130 N · m, der Überdruck des Abgases betrug 60 kPa und die Temperatur des Abgases betrug 800 °C). In diesem Zustand wurden alle Pumpzellen, einschließlich die Referenzgasregulierpumpzelle 90, betrieben, die Messung der NOx-Konzentration wurde begonnen und die Referenzgasregulierpumpzelle 90 begann damit, Sauerstoff zu der Referenzelektrode 42 hineinzupumpen. Die Messpumpzelle 41 hat die NOx-Konzentration in jedem Zyklus T zu einem spätestmöglichen Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums erfasst. Die Pumpzellen, die von der Messpumpzelle 41 und der Referenzgasregulierpumpzelle 90 verschieden sind, wurden ebenfalls in dem gleichen Zyklus wie dem Zyklus T betrieben, und der Betriebszeitraum war ein spätestmöglicher Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums. Sofort nach 80 Sekunden, die für eine anfängliche Stabilisierung der Pumpzellen erforderlich sind und die nach dem Beginn des Betriebs aller Pumpzellen vergangen sind, wurde der Pumpstrom Ip2 gemessen. Der Pumpstrom Ip2 für die experimentellen Beispiele 2 bis 28 wurde in der gleichen Weise gemessen. Für jedes der experimentellen Beispiele 1 bis 28, wenn der gemessene Pumpstrom Ip2 in einem ersten zulässigen Bereich liegt (in einen Bereich von 80 % bis 120 %, wobei ein korrekter Wert 100 % ist), der sehr nahe an einem korrekten Wert liegt (einem Wert der NOx-Konzentration von 500 ppm in dem Abgas), wurde die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als „A“ festgelegt. Wenn der gemessene Pumpstrom Ip2 außerhalb des ersten zulässigen Bereichs liegt, jedoch in einen zweiten zulässigen Bereich fällt (in einen Bereich von 50 % bis 200 %), der nahe an dem korrekten Wert lag, wurde die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als „B“ festgelegt. Wenn der gemessene Pumpstrom Ip2 außerhalb des zweiten zulässigen Bereichs lag, wurde die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration als „C“ festgelegt.

Die Tabelle 1 zeigt den Spitzenstrom Ip3max, die Ein-Zeit Ton, die Aus-Zeit Toff, the zweite Zeit T2, die Restspannung DVref und die Bewertungsergebnisse der Erfassungsgenauigkeit in den experimentellen Beispielen 1 bis 28. Die Tabelle 1 zeigt auch die Bewertungsergebnisse der Hineinpumpmenge von Sauerstoff, die später beschrieben wird, in den experimentellen Beispielen 1 bis 28. [Tabelle 1]

	Spitzenstrom Ip3max [µA]	Steuerspannung Vp3		Spannung Vref	Restspannung DVref [mV]	Bewertung der Erfassungsgenauigkeit	Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge
	Spitzenstrom Ip3max [µA]	Ein-Zeit Ton [ms]	Aus-Zeit Toff [ms]	Zweite Zeit T2 [ms]	Restspannung DVref [mV]	Bewertung der Erfassungsgenauigkeit	Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge
Experimentelles Beispiel 1	30	6,0	4,0	2	36,0	B	A
Experimentelles Beispiel 2	100	4,0	6,0	3,8	38,0	B	A
Experimentelles Beispiel 3	200	3,0	7,0	4,9	37,0	B	A
Experimentelles Beispiel 4	300	2,5	7,5	5,4	38,0	B	A
Experimentelles Beispiel 5	10	4,0	6,0	3,7	6,0	A	B
Experimentelles Beispiel 6	20	2,0	8,0	5,7	4,0	A	B
Experimentelles Beispiel 7	30	1,5	8,5	6,2	5,0	A	B
Experimentelles Beispiel 8	50	1,0	9,0	6,7	4,7	A	B
Experimentelles Beispiel 9	100	0,7	9,3	7,3	8,0	A	B
Experimentelles Beispiel 10	200	0,5	9,5	7,4	10,0	A	B
Experimentelles Beispiel 11	100	2,0	8,0	5,8	10,0	A	A
Experimentelles Beispiel 12	50	3,0	7,0	5	15,0	A	A
Experimentelles Beispiel 13	130	2,0	8,0	5,7	13,0	A	A
Experimentelles Beispiel 14	300	1,0	9,0	6,7	16,0	A	A
Experimentelles Beispiel 15	200	1,0	9,0	6,7	12,0	A	A
Experimentelles Beispiel 16	15	5,0	5,0	3	16,0	A	A
Experimentelles Beispiel 17	10	1,0	9,0	7,1	3,0	A	C
Experimentelles Beispiel 18	300	5,0	5,0	3	100,0	C	A
Experimentelles Beispiel 19	5	2,0	8,0	6	3,6	A	C
Experimentelles Beispiel 20	15	0,5	9,5	7,5	1,5	A	C
Experimentelles Beispiel 21	80	0,2	10,3	8,1	4,5	A	C
Experimentelles Beispiel 22	100	8,0	2,0	0,3	150,0	C	A
Experimentelles Beispiel 23	150	5,0	5,0	2,7	100,0	C	A
Experimentelles Beispiel 24	250	4,0	6,0	3,9	120,0	C	A
Experimentelles Beispiel 25	250	0,1	10,9	8,9	13,0	A	C
Experimentelles Beispiel 26	1	8,0	2,0	0,2	10,0	A	B
Experimentelles Beispiel 27	10	8,0	2,0	0,4	36,0	B	B
Experimentelles Beispiel 28	300	0,2	9,8	7,5	38,0	B	B

Wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist, ist in jedem der experimentellen Beispiele 1 bis 17, 19 bis 21 und 25 bis 28, in denen die Restspannung DVref 40 mV oder weniger beträgt, die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit A oder B. Von diesen ist in den experimentellen Beispielen 5 bis 17, 19 bis 21, 25 und 26, in denen die Restspannung DVref 35 mV oder weniger beträgt, die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit A. Andererseits ist in den experimentellen Beispielen 18 und 22 bis 24, in denen die Restspannung DVref mehr als 40 mV beträgt, die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit C. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Restspannung DVref vorzugsweise 40 mV oder weniger beträgt und mehr bevorzugt 35 mV oder weniger beträgt.
[Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge]
Wie bei dem vorstehend beschriebenen Erfassungsgenauigkeitsbewertungstest wurde der Gassensor des experimentellen Beispiels 1 an einer Leitung montiert und dann wurde die Heizeinrichtung 72 mit Strom versorgt. Anschließend wurde ein Benzinmotor des Kraftfahrzeugs unter den gleichen Bedingungen wie denjenigen des vorstehend beschriebenen Erfassungsgenauigkeitsbewertungstests betrieben, und nur die Referenzgasregulierpumpzelle 90 wurde betrieben. Dieser Zustand wurde für 20 Minuten aufrechterhalten, während denen die Spannung Vref gemessen wurde, um zu bestimmen, ob die minimale Spannung Vrefmin so vermindert wurde, dass sie niedriger als eine vorgegebene Schwelle war. Die Schwelle wurde auf 70 % des Werts zum Zeitpunkt des Beginns der Messung der minimalen Spannung Vrefmin eingestellt. Wenn die minimale Spannung Vrefmin nach 20 Minuten nicht niedriger als die Schwelle wurde, wurde die Sauerstoff-Hineinpumpmenge als „A“ festgelegt. Wenn die minimale Spannung Vrefmin nach 15 Minuten vor den 20 Minuten niedriger wurde als die Schwelle, wurde die Sauerstoff-Hineinpumpmenge als „B“ festgelegt. Wenn die minimale Spannung Vrefmin vor 15 Minuten niedriger wurde als die Schwelle, wurde die Sauerstoff-Hineinpumpmenge als „C“ festgelegt. Die minimale Spannung Vrefmin für die experimentellen Beispiele 2 bis 28 wurde zur Bewertung in der gleichen Weise gemessen. Es sollte beachtet werden, dass der Betrieb der Referenzgasregulierpumpzelle 90 den Steuerstrom Ip3 zuführt und Sauerstoff hineinpumpt, so dass die Verminderung der Sauerstoffkonzentration in dem Randbereich der Referenzelektrode 42 aufgrund des Eindringens des Abgases in den Raum 149 vermindert wird. Andererseits wird, wenn die Sauerstoffkonzentration der Referenzelektrode 42 vermindert wird, die Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 aufgrund der Verminderung der Spannung Vref* vermindert, und dadurch wird auch die minimale Spannung Vrefmin vermindert. Demgemäß bedeutet eine Verminderung der minimalen Spannung Vrefmin im Zeitverlauf mit hoher Geschwindigkeit, dass die Sauerstoff-Hineinpumpmenge durch die Referenzgasregulierpumpzelle 90 unzureichend ist und dass der Effekt des Kompensierens zur Verminderung der Sauerstoffkonzentration unzureichend ist. Die vorstehende Tabelle 1 zeigt die Bewertungsergebnisse der Sauerstoff-Hineinpumpmenge in den experimentellen Beispielen 1 bis 28.
Die 6 ist ein Graph, in dem der Spitzenstrom Ip3max und die zweite Zeit T2 für die experimentellen Beispiele 1 bis 28 aufgetragen sind. Jeder Kreis in dem Graphen stellt eine „A“-Bewertung der Erfassungsgenauigkeit und der Sauerstoff-Hineinpumpmenge dar. Jedes schwarze Dreieck in dem Graphen stellt eine „A“- oder „B“-Bewertung der Erfassungsgenauigkeit und eine „B“-Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge dar. Jedes weiße Dreieck in dem Graphen stellt eine „B“-Bewertung der Erfassungsgenauigkeit und eine „A“-Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge dar. Jede X-Markierung in dem Graphen stellt eine „A“-Bewertung der Erfassungsgenauigkeit und eine „C“-Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge dar. Jede *-Markierung in dem Graphen stellt eine „C“-Bewertung der Erfassungsgenauigkeit und eine „A“-Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge dar. Die 6 zeigt auch eine gekrümmte Linie A (T2 = 1,4851 × In(Ip3max) - 4,0296), eine gekrümmte Linie B (T2 = 1,685 × In(Ip3max) + 0,9899, wobei Ip3max ≤ 50 µA ist) und eine Gerade C (T2 = 0,0011 × Ip3max + 7,58, wobei Ip3max > 50 µA ist). Die gekrümmte Linie A wurde als gekrümmte Linie festgelegt, die zwischen experimentellen Beispielen, bei denen die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit „A“ oder „B“ ist, und experimentellen Beispielen verläuft, bei denen die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit in der 6 „C“ ist. Die gekrümmte Linie B wurde als gekrümmte Linie festgelegt, die zwischen experimentellen Beispielen, bei denen der Spitzenstrom Ip3max 50 µA oder weniger beträgt und die Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge „A“ oder „B“ ist, und experimentellen Beispielen verläuft, bei denen der Spitzenstrom Ip3max 50 µA oder weniger beträgt und die Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge „C“ ist. Die Gerade C wurde als Gerade festgelegt, die zwischen experimentellen Beispielen, bei denen der Spitzenstrom Ip3max mehr als 50 µA beträgt und die Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge „A“ oder „B“ ist, und experimentellen Beispielen verläuft, bei denen der Spitzenstrom Ip3max mehr als 50 µA beträgt und die Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge „C“ ist.
Wie es in der 6 gezeigt ist, ist es wahrscheinlich, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration erhöht wird, wenn die zweite Zeit T2 länger ist (wenn sich ein experimentelles Beispiel in der 6 auf einem höheren Niveau befindet). Darüber hinaus ist es dann, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist, unwahrscheinlich, dass die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration erhöht wird und dass die zweite Zeit T2, die zur Erhöhung der Erfassungsgenauigkeit erforderlich ist, erhöht wird. Da die Bewertung der Erfassungsgenauigkeit in experimentellen Beispielen, die sich auf einem höheren Niveau als die gekrümmte Linie A in der 6 befinden, „A“ oder „B“ ist, kann die spezifische Gaskonzentration mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden, solange die vorstehende Formel (2) erfüllt ist.
Wie es in der 6 gezeigt ist, ist es unwahrscheinlich, dass die Sauerstoff-Hineinpumpmenge unzureichend wird, wenn die zweite Zeit T2 kürzer ist (wenn sich ein experimentelles Beispiel in der 6 auf einem niedrigeren Niveau befindet). Darüber hinaus ist es, wenn der Spitzenstrom Ip3max höher ist, unwahrscheinlich, dass die Sauerstoff-Hineinpumpmenge unzureichend wird und dass die Hineinpumpmenge ausreichend wird, selbst wenn die zweite Zeit T2 lang ist. Da die Bewertung der Sauerstoff-Hineinpumpmenge in den experimentellen Beispielen, die sich in der 6 unterhalb der gekrümmten Linie B oder der Geraden C befinden, „A“ oder „B“ ist, kann ein unzureichender Effekt des Kompensierens einer Verminderung der Sauerstoffkonzentration im Randbereich der Referenzelektrode 42 effektiver unterdrückt werden, solange die vorstehend genannte Formel (3) oder Formel (4) erfüllt ist. Darüber hinaus kann, solange die vorstehend genannte Formel (2) erfüllt ist und die vorstehend genannte Formel (3) oder Formel (4) erfüllt ist, die spezifische Gaskonzentration mit einer höheren Genauigkeit erfasst werden und ein unzureichender Effekt des Kompensierens einer Verminderung der Sauerstoffkonzentration im Randbereich der Referenzelektrode 42 kann effektiver unterdrückt werden. Ferner beträgt in den experimentellen Beispielen 1 bis 17, 19 bis 21 und 25 bis 28, in denen die vorstehende Formel (2) erfüllt ist, die Restspannung DVref 40 mV oder weniger.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-070701 , die am 31. März 2017 eingereicht worden ist und deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der eine spezifische Gaskonzentration, wie z.B. von NOx, in einem Messgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2017070701 [0099]

Claims

Gassensor, umfassend: einen Schichtkörper, der durch Stapeln einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten ausgebildet wird und der einen Messgas-Strömungsabschnitt umfasst, in den ein Messgas eingeführt und einströmen gelassen wird; eine Referenzelektrode, die innerhalb des Schichtkörpers ausgebildet ist und ein darin eingeführtes Referenzgas empfängt, wobei das Referenzgas als Standard zur Erfassung einer spezifischen Gaskonzentration in dem Messgas verwendet wird; eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche des Messgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist; eine Elektrode auf der Seite des Messgases, die in einem Bereich des Schichtkörpers bereitgestellt ist, der dem Messgas ausgesetzt ist; einen Referenzgaseinführungsabschnitt, der das Referenzgas zu einem Randbereich der Referenzelektrode einführt; eine Referenzgasreguliervorrichtung, die eine Steuerspannung, die wiederholt auf einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand eingestellt wird, zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases anlegt, so dass Sauerstoff zu dem Randbereich der Referenzelektrode hineingepumpt wird; und eine Erfassungsvorrichtung, welche die spezifische Gaskonzentration in dem Messgas auf der Basis einer Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum, der nach dem Einstellen der Steuerspannung auf den Ein-Zustand, während dem eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases groß ist, beginnt, und dem zweiten Zeitraum erfasst, der nach dem Einstellen der Steuerspannung auf den Aus-Zustand beginnt, nachdem die Potenzialdifferenz ausgehend von dem ersten Zeitraum fällt.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei eine Restspannung DVref, die gemäß der folgenden Formel (1) berechnet wird, 40 mV oder weniger beträgt, $DVref = Vref1 - Vref0$
(wobei Vref1 eine minimale Spannung [mV] zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases in einem Zustand ist, bei dem der Schichtkörper in der Luft angeordnet ist und bei dem die Steuerspannung wiederholt auf den Ein-Zustand und den Aus-Zustand eingestellt wird, und Vref0 eine Spannung [mV] zwischen der Referenzelektrode und der Elektrode auf der Seite des Messgases in einem Zustand ist, bei dem der Schichtkörper in der Luft angeordnet ist und bei dem die Steuerspannung nicht angelegt ist.)
Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Restspannung DVref 35 mV oder weniger beträgt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die folgende Formel (2) erfüllt ist, $T2 \geq 1,4851 \times In (Ip3max) - 4,0296$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, die eine Länge des zweiten Zeitraums ist, und Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt.)
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die folgende Formel (3) oder Formel (4) erfüllt ist, $T2 \leq 1,685 \times In (Ip3max) + 0,9899$
$T2 \leq 0,0011 \times Ip3max + 7,58$
(wobei T2 eine zweite Zeit [ms] ist, die eine Länge des zweiten Zeitraums ist, Ip3max ein Spitzenstrom [µA] ist, der mittels der Steuerspannung in der Referenzelektrode fließt, und die Formel (3) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max ≤ 50 µA ist, und die Formel (4) eine Formel ist, die verwendet wird, wenn Ip3max > 50 µA ist.)