DE102020001764A1 - Sensorelement und gassensor - Google Patents

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Yusuke Watanabe
Shiho IWAI
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Sensorelement 101 ist ein Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, das einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst, wobei der Elementkörper eine Längsrichtung aufweist, eine Messelektrode 44, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, eine Referenzelektrode 42, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt kommt, wobei das Referenzgas als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet wird, und eine Heizeinrichtung, die in dem Elementkörper angeordnet und zum Erwärmen der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, umfasst. Ein Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 überlappt die Messelektrode 44 betrachtet in einer Oben-unten-Richtung, die eine Dickenrichtung der Festelektrolytschicht ist. Eine Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in einer Vorne-hinten-Richtung beträgt weniger als oder gleich 1,1 mm, wobei die Vorne-hinten-Richtung eine Richtung entlang der Längsrichtung des Elementkörpers ist. Eine Fläche der Referenzelektrode 42 betrachtet in der Dickenrichtung ist größer als oder gleich 1,0 mm2.

Description

  • [Technisches Gebiet]
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
  • [Stand der Technik]
  • Im Stand der Technik sind Gassensoren zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils, bekannt. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor. Der Gassensor umfasst einen Schichtkörper aus einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten und einer Mehrzahl von Elektroden, die auf den Festelektrolytschichten angeordnet sind. Wenn der Gassensor die Konzentration von NOx erfasst, wird zuerst ein Hinauspumpen oder Hineinpumpen von Sauerstoff zwischen einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt innerhalb eines Sensorelements und der Außenseite des Sensorelements durchgeführt, um die Sauerstoffkonzentration innerhalb des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts einzustellen. Nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration wird NOx in dem Messgegenstandsgas in der Umgebung einer Messelektrode reduziert. Dann wird Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt, so dass eine Spannung, die zwischen der Messelektrode und einer Referenzelektrode gemäß der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Messelektrode erzeugt wird, konstant wird, und auf der Basis eines Pumpstroms, der während des Hinauspumpens von Sauerstoff fließt, wird die Konzentration von NOx in dem Messgegenstandsgas erfasst.
  • [Dokumentenliste]
  • [Patentdokument]
  • [PTL 1] Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2018-173318
  • [Offenbarung der Erfindung]
  • Ein Sensorelement wird in einem Zustand verwendet, bei dem es auf eine Temperatur (z.B. 800 °C) erwärmt ist, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist. Dabei umfasst, wenn eine thermoelektromotorische Kraft aufgrund der Temperaturdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt wird, eine Spannung zwischen beiden Elektroden die thermoelektromotorische Kraft, was ein Problem der Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases verursacht. Beispielsweise weist, unmittelbar nachdem eine Heizeinrichtung mit dem Erwärmen der Festelektrolytschichten begonnen hat, die thermoelektromotorische Kraft aufgrund der Temperaturvariationen der Referenzelektrode und der Messelektrode einen instabilen Wert auf. In einem Zustand, bei dem die thermoelektromotorische Kraft instabil ist, ist die Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases vermindert. Selbst nachdem sich die Temperaturen in den Elektroden stabilisiert haben, liegt nach wie vor die stationäre thermoelektromotorische Kraft vor, die durch die Temperaturdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode verursacht wird, und das Vorliegen der thermoelektromotorischen Kraft kann auch die Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases vermindern.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen der vorstehend beschriebenen Probleme gemacht und es ist eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode zu verkürzen und die stationäre thermoelektromotorische Kraft zu vermindern.
  • Zum Lösen der vorstehend beschriebenen Hauptaufgabe ist die vorliegende Erfindung in der folgenden Weise aufgebaut.
  • Die vorliegende Erfindung stellt ein Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas bereit, wobei das Sensorelement umfasst:
    • einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst, wobei der Elementkörper eine Längsrichtung aufweist;
    • eine Messelektrode, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt;
    • eine Referenzelektrode, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt kommt, wobei das Referenzgas als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet wird; und
    • eine Heizeinrichtung, die in dem Elementkörper angeordnet und zum Erwärmen der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, wobei
    • ein Schwerpunkt der Referenzelektrode die Messelektrode betrachtet in einer Dickenrichtung der Festelektrolytschicht überlappt,
    • eine Länge von jeder der Referenzelektrode und der Messelektrode in einer Vorne-hinten-Richtung weniger als oder gleich 1,1 mm beträgt, wobei die Vorne-hinten-Richtung eine Richtung entlang der Längsrichtung des Elementkörpers ist, und
    • eine Fläche der Referenzelektrode betrachtet in der Dickenrichtung größer als oder gleich 1,0 mm2 ist.
  • Im Gebrauch wird das Sensorelement durch die Heizeinrichtung erwärmt und warmgehalten und eine Spannung, die einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen einer Fläche in der Umgebung der Referenzelektrode und einer Fläche in der Umgebung der Messelektrode entspricht, wird zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode erzeugt. Die erzeugte Spannung wird zum Ableiten der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet. In dem Sensorelement beträgt die Länge von jeder der Referenzelektrode und der Messelektrode in der Längsrichtung des Elementkörpers, d.h., in der Vorne-hinten-Richtung, weniger als oder gleich 1,1 mm. Dies verkürzt die Zeit ab dem Beginn des Erwärmungsvorgangs durch die Heizeinrichtung bis zur Stabilisierung der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode. Eine Richtung senkrecht zu der Längsrichtung und der Dickenrichtung wird als Breitenrichtung dargestellt. Da der Elementkörper eine Längsrichtung aufweist, sind die Temperaturvariationen des Elementkörpers, wenn er durch die Heizeinrichtung erwärmt wird, in der Längsrichtung größer als in der Breitenrichtung. Demgemäß ist es dann, wenn die Länge von jeder der Referenzelektrode und der Messelektrode in der Vorne-hinten-Richtung zunimmt, wahrscheinlicher, dass die Temperaturvariationen der Elektrode zunehmen, was zu einer Zunahme der Zeit führt, die erforderlich ist, um die Temperaturen in der Elektrode einheitlich zu machen. Die Länge von jeder der Referenzelektrode und der Messelektrode ist kleiner als oder gleich 1,1 mm, wodurch die Temperaturen in jeder Elektrode schneller einheitlich gemacht werden. Dies verkürzt die Zeit, die zum Stabilisieren der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Messelektrode und der Referenzelektrode erforderlich ist. In dem Sensorelement überlappt ferner der Schwerpunkt der Referenzelektrode die Messelektrode betrachtet in der Dickenrichtung der Festelektrolytschicht. Demgemäß kann die stationäre Temperaturdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode vermindert werden, und die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode kann vermindert werden. In einem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann daher die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode verkürzt werden und die stationäre thermoelektromotorische Kraft kann vermindert werden.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Abstand zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode in der Dickenrichtung größer als oder gleich 50 µm und kleiner als oder gleich 500 µm sein. Wenn der Abstand zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode in der Dickenrichtung größer als oder gleich 50 µm ist, ist ein Abschnitt des Elementkörpers zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode nicht übermäßig gering. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass in dem Elementkörper ein Riss auftritt. Ein Abstand von weniger als oder gleich 500 µm in der Dickenrichtung kann die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode weiter vermindern.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Fläche der Referenzelektrode weniger als oder gleich 4,0 mm2 betragen. Wenn die Fläche der Referenzelektrode übermäßig groß ist, erfordert es Zeit, die Temperaturen in der Referenzelektrode einheitlich zu machen, was zu einer Zunahme der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft führen kann. Wenn die Fläche der Referenzelektrode weniger als oder gleich 4,0 mm2 beträgt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zunimmt.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Länge der Referenzelektrode größer als oder gleich 0,5 mm sein. Die Länge der Messelektrode kann größer als oder gleich 0,2 mm sein. Die Länge der Messelektrode kann kleiner als oder gleich 0,57 mm sein.
  • In dem Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Referenzelektrode ein Verhältnis Rr von größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 aufweisen, wobei das Verhältnis Rr ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Referenzelektrode in der Vorne-hinten-Richtung durch eine Länge der Referenzelektrode in einer Breitenrichtung erhalten wird, wobei die Breitenrichtung eine Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Dickenrichtung ist. Die Messelektrode kann ein Verhältnis Rm von größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 aufweisen, wobei das Verhältnis Rm ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Messelektrode in der Vorne-hinten-Richtung durch eine Länge der Messelektrode in der Breitenrichtung erhalten wird.
  • Die vorliegende Erfindung stellt einen Gassensor bereit, umfassend:
    • das Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung, das jedwede der vorstehend beschriebenen Konfigurationen aufweist,
    • wobei das Sensorelement eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode umfasst, die so innerhalb oder außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt,
    • wobei in dem Elementkörper ein Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, der es ermöglicht, dass das Messgegenstandsgas darin eingeführt wird und durch diesen strömt,
    • wobei die Messelektrode in einer Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist;
    • eine Referenzgas-Reguliervorrichtung, die eine Steuerspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zum Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode anlegt, wobei die Steuerspannung wiederholt ein- und ausgeschaltet wird; und
    • eine Erfassungsvorrichtung, welche die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis einer Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum erfasst, wobei der erste Zeitraum ein Zeitraum ist, der als Reaktion auf das Einschalten der Steuerspannung beginnt und während dem eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode groß ist, wobei der zweite Zeitraum ein Zeitraum ist, der als Reaktion auf das Ausschalten der Steuerspannung beginnt und in dem die Potenzialdifferenz relativ zu der Potenzialdifferenz während des ersten Zeitraums gefallen ist.
  • In dem Gassensor legt die Referenzgas-Reguliervorrichtung eine Steuerspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zum Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode an. Dies kann die Verminderung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode kompensieren. Darüber hinaus weist, da die Referenzgas-Reguliervorrichtung eine Steuerspannung anlegt, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, der Gassensor einen ersten Zeitraum, während dem die Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode groß ist, und einen zweiten Zeitraum auf, in dem die Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode gefallen ist. Während des zweiten Zeitraums beeinflusst die Steuerspannung das Potenzial der Referenzelektrode weniger als während des ersten Zeitraums. Demgemäß erfasst die Erfassungsvorrichtung die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis der Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während des zweiten Zeitraums, wodurch eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases verhindert wird. In dem Gassensor kann daher eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases, die durch eine Steuerspannung zum Hineinpumpen verursacht wird, während Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, verhindert werden. In dem Gassensor ist darüber hinaus, wie es vorstehend beschrieben worden ist, die Fläche der Referenzelektrode größer als oder gleich 1,0 mm2. Dies vermindert den Widerstandswert der Referenzelektrode und kann folglich die Restspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode während des zweiten Zeitraums vermindern. Da die Restspannung das Potenzial der Referenzelektrode beeinflusst, kann eine Verminderung der Restspannung eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases verhindern.
  • In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement ferner eine äußere Messelektrode umfassen, die derart auf einer Außenseite des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wobei die Erfassungsvorrichtung Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, von der Umgebung der Messelektrode zu der Umgebung der äußeren Messelektrode hinauspumpen kann und die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis eines Messpumpstroms erfassen kann, der fließt, wenn der Sauerstoff hinausgepumpt wird, und eine Fläche der Messelektrode betrachtet in der Dickenrichtung kann größer als oder gleich 0,2 mm2 und kleiner als oder gleich 2,0 mm2 sein. Mit diesem Aufbau kann die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Messpumpstroms erfasst werden. Wenn die Fläche der Messelektrode größer als oder gleich 0,2 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Messelektrode nicht übermäßig groß, was zu einer Zunahme des Werts des Messpumpstroms und einer ausreichenden Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases führt. Wenn die Fläche der Messelektrode kleiner als oder gleich 2,0 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Messelektrode nicht übermäßig klein, wodurch ein kleiner Offset-Strom (der Messpumpstrom, der fließt, wenn das Messgegenstandsgas das spezifische Gas nicht enthält) erreicht wird.
  • In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist, kann der „Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird“, Sauerstoff sein, der erzeugt wird, wenn das spezifische Gas selbst in der Messkammer reduziert wird. In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, kann der „Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird“, Sauerstoff sein, der erzeugt wird, wenn ein Gas, das durch Umwandeln des spezifischen Gases in ein Oxid erhalten wird, in der Messkammer reduziert wird.
  • In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement ferner eine Messspannungserfassungseinheit, die eine Messspannung erfasst, welche die Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode ist, eine Messpumpzelle, welche die Messelektrode und eine äußere Messelektrode umfasst, die derart auf einer Außenseite des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, und eine Referenzgas-Regulierpumpzelle umfassen, welche die Referenzelektrode und die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode umfasst, wobei die Erfassungsvorrichtung die Messpumpzelle und eine Messpumpzelle-Steuereinrichtung, welche die Messpumpzelle steuert, umfassen kann, wobei die Messpumpzelle-Steuereinrichtung die Messpumpzelle auf der Basis der Messspannung steuern kann, die während des zweiten Zeitraums erhalten wird, so dass die Messspannung, die während des zweiten Zeitraums erhalten wird, eine Zielspannung wird, einen Messpumpstrom erhalten kann, der fließt, wenn die Messpumpzelle Sauerstoff, der in der Umgebung der Messelektrode aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, von der Umgebung der Messelektrode zu der Umgebung der äußeren Messelektrode gemäß der Steuerung hinauspumpt, und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Messpumpstroms erfassen kann, oder die Messpumpzelle so steuern kann, dass der Messpumpstrom ein Zielstrom wird, und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Messspannung, die während des zweiten Zeitraums nach der Durchführung der Steuerung erhalten wird, erfassen kann, und die Referenzgas-Reguliervorrichtung die Referenzgas-Regulierpumpzelle und eine Referenzgas-Regulierpumpzelle-Steuereinrichtung umfassen kann, welche die Steuerspannung an die Referenzgas-Regulierpumpzelle anlegt.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Längsschnittansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch einen Beispielaufbau eines Sensorelements 101 zeigt.
    • 3 ist ein erläuterndes Diagramm, das zeitliche Änderungen einer Steuerspannung Vp3 und einer Spannung Vref zeigt.
    • 4 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einer Referenzelektrode 42 und einer Messelektrode 44 in einer Draufsicht zeigt.
    • 5 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in einem Vergleichsbeispiel zeigt.
    • 6 ist eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
    • 7 ist ein erläuterndes Diagramm eines Gassensors 300 gemäß einer Modifizierung.
    • 8 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 95 und jeder Zelle zeigt.
    • 9 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen einer Referenzelektrode 42 und einer Messelektrode 44 in einer Draufsicht zeigt.
    • 10 ist ein erläuterndes Diagramm einer Restspannung DVref.
  • [Beschreibung von Ausführungsformen]
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine Längsschnittansicht eines Gassensors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die 2 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch einen Beispielaufbau eines Sensorelements 101 zeigt, das in den Gassensor 100 einbezogen ist. Das Sensorelement 101 weist eine lange, rechteckige Parallelepipedform auf. Die Längsrichtung des Sensorelements 101 (Links-rechts-Richtung in der 2) ist als Vorne-hinten-Richtung dargestellt, und die Dickenrichtung des Sensorelements 101 (Oben-unten-Richtung in der 2) ist als Oben-unten-Richtung dargestellt. Die Breitenrichtung des Sensorelements 101 (Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Oben-unten-Richtung) ist als Links-rechts-Richtung dargestellt.
  • Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 100 das Sensorelement 101, eine Schutzabdeckung 130, welche die vordere Endseite des Sensorelements 101 schützt, und eine Sensoranordnung 140. Die Sensoranordnung 140 umfasst einen Verbinder 150, der mit dem Sensorelement 101 kontinuierlich ist. Wie es in der Zeichnung gezeigt ist, ist der Gassensor 100 beispielsweise an einer Leitung 190, wie z.B. einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, angebracht und wird zum Messen der Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder O2, das in einem Abgas enthalten ist, das ein Messgegenstandsgas ist, verwendet. In dieser Ausführungsform ist der Gassensor 100 zum Messen der NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases ausgebildet.
  • Die Schutzabdeckung 130 umfasst eine mit einem Boden versehene zylindrische innere Schutzabdeckung 131, die ein vorderes Ende des Sensorelements 101 bedeckt, und eine mit einem Boden versehene zylindrische äußere Schutzabdeckung 132, welche die innere Schutzabdeckung 131 bedeckt. In der inneren Schutzabdeckung 131 und der äußeren Schutzabdeckung 132 ist eine Mehrzahl von Löchern ausgebildet, durch die das Messgegenstandsgas in die Schutzabdeckung 130 strömt. Eine Sensorelementkammer 133 ist als Raum ausgebildet, der von der inneren Schutzabdeckung 131 umgeben ist. Das vordere Ende des Sensorelements 101 ist in der Sensorelementkammer 133 angeordnet.
  • Die Sensoranordnung 140 umfasst einen Elementabdichtungskörper 141, der das Sensorelement 101 in einer feststehenden Weise abdichtet, eine Mutter 147, die an dem Elementabdichtungskörper 141 angebracht ist, einen Außenzylinder 148 und den Verbinder 150. Der Verbinder 150 ist mit Anschlusselektroden (nicht gezeigt) in Kontakt (nur eine Heizeinrichtungsanschlusselektrode 71, die nachstehend beschrieben wird, ist in der 2 gezeigt), die auf Oberflächen (obere und untere Oberfläche) an einem hinteren Ende des Sensorelements 101 ausgebildet sind, und ist elektrisch mit den Anschlusselektroden verbunden.
  • Der Elementabdichtungskörper 141 umfasst ein zylindrisches Hauptmetallformstück 142, einen zylindrischen Innenzylinder 143, der in einer feststehenden Weise koaxial an das Hauptmetallformstück 142 geschweißt ist, keramische Stützeinrichtungen 144a bis 144c, die in Durchgangslöchern innerhalb des Hauptmetallformstücks 142 und des Innenzylinders 143 eingekapselt sind, Grünpresskörper 145a und 145b und einen Metallring 146. Das Sensorelement 101 befindet sich in einer Weise entlang der Mittelachse des Elementabdichtungskörpers 141, dass es sich in der Vorne-hinten-Richtung durch den Elementabdichtungskörper 141 erstreckt. Der Innenzylinder 143 weist einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143a zum Drücken des Grünpresskörpers 145b in einer Richtung zu der Mittelachse des Innenzylinders 143 und einen Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143b zum Drücken der keramischen Stützeinrichtungen 144a bis 144c und der Grünpresskörper 145a und 145b zu der Vorderseite mittels des Metallrings 146 auf. Die Druckkräfte von den Abschnitten mit vermindertem Durchmesser 143a und 143b drücken die Grünpresskörper 145a und 145b zwischen dem Sensorelement 101 und dem Satz aus dem Hauptmetallformstück 142 und dem Innenzylinder 143 zusammen. Demgemäß führen die Grünpresskörper 145a und 145b ein Abdichten zwischen der Sensorelementkammer 133 in der Schutzabdeckung 130 und einem Raum 149 in dem Außenzylinder 148 aus und fixieren das Sensorelement 101.
  • Die Mutter 147 ist koaxial an dem Hauptmetallformstück 142 fixiert und weist einen Außengewindeabschnitt auf, der auf einer Außenumfangsoberfläche davon ausgebildet ist. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 147 wird in ein Fixierelement 191 eingesetzt, das an die Leitung 190 geschweißt ist. Das Fixierelement 191 weist einen Innengewindeabschnitt auf einer Innenumfangsoberfläche davon auf. Demgemäß wird der Gassensor 100 derart an der Leitung 190 fixiert, dass ein Abschnitt des Gassensors 100, der dem vorderen Ende des Sensorelements 101 und der Schutzabdeckung 130 entspricht, in die Leitung 190 vorragt.
  • Der Außenzylinder 148 umgibt den Innenzylinder 143, das Sensorelement 101 und den Verbinder 150. Eine Mehrzahl von Anschlussleitungen 155, die mit dem Verbinder 150 verbunden sind, wird aus einem hinteren Ende des Außenzylinders 148 herausgeführt. Die Anschlussleitungen155 sind mittels des Verbinders 150 kontinuierlich mit den Elektroden (nachstehend beschrieben) des Sensorelements 101 ausgebildet. Eine Lücke zwischen dem Außenzylinder 148 und den Anschlussleitungen 155 wird mit einem Kautschukstopfen 157 abgedichtet. Der Raum 149 in dem Außenzylinder 148 wird mit einem Referenzgas (in dieser Ausführungsform Luft) gefüllt. Das hintere Ende des Sensorelements 101 ist in dem Raum 149 angeordnet.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element, das einen Schichtkörper mit sechs Schichten umfasst, wobei jede davon aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, wie z.B. einer Zirkoniumoxid (ZrO2)-Schicht, ausgebildet ist. Die sechs Schichten umfassen eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die in der Zeichnung in der angegebenen Reihenfolge von unten nach oben gestapelt sind. Der Festelektrolyt, der die sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Das Sensorelement 101 wird beispielsweise nach dem Durchführen einer vorgegebenen Verarbeitung und eines Schaltkreisdruckens auf keramische Grünlagen, die jeweils einer der Schichten entsprechen, Stapeln der keramischen Grünlagen, Brennen der gestapelten keramischen Grünlagen und miteinander Vereinigen der gebrannten keramischen Grünlagen zur Bildung einer einzelnen Einheit hergestellt.
  • An einem Ende des Sensorelements 101 (in dem linken Abschnitt von 2) sind ein Gaseinlass 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 in der genannten Reihenfolge angrenzend ausgebildet und stehen zwischen einer unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und einer oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in Verbindung.
  • Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Innenräume des Sensorelements 101, die durch Aushöhlen eines Abschnitts der Abstandshalterschicht 5 gebildet werden, wobei deren Oberseiten durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt sind, deren Unterseiten durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt sind und deren Seiten durch die Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 5 festgelegt sind.
  • Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze bereitgestellt (deren Öffnungen eine Längsrichtung entlang einer Richtung senkrecht zu der Zeichnung aufweisen). Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist als ein einzelner horizontal langer Schlitz bereitgestellt (dessen Öffnung eine Längsrichtung entlang einer Richtung senkrecht zu der Zeichnung aufweist), der als Lücke von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass der Abschnitt von dem Gaseinlass 10 bis zu dem dritten inneren Hohlraum 61 auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet wird.
  • Eine Lufteinführungsschicht 48 ist zwischen einer oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet. Die Lufteinführungsschicht 48 ist beispielsweise porös und aus einer Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid, zusammengesetzt. Eine hintere Endoberfläche der Lufteinführungsschicht 48 ist ein Einlass 48c und der Einlass 48c liegt an einer hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 frei. Der Einlass 48c liegt in dem Raum 149 frei, der in der 1 gezeigt ist (vgl. die 1). Ein Referenzgas, das zur Messung der NOx-Konzentration verwendet wird, wird durch den Einlass 48c in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt. In dieser Ausführungsform ist das Referenzgas Luft (die Atmosphäre in dem Raum 149, der in der 1 gezeigt ist). Die Lufteinführungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Lufteinführungsschicht 48 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Referenzgas aus, das durch den Einlass 48c eingeführt wird, und führt das Referenzgas in die Referenzelektrode 42 ein. Die Dicke der Lufteinführungsschicht 48 kann größer als oder gleich 10 µm oder kleiner als oder gleich 30 µm sein. Die Porosität der Lufteinführungsschicht 48 kann größer als oder gleich 10 Vol.-% oder kleiner als oder gleich 50 Vol.-% sein.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist, und ist durch die Lufteinführungsschicht 48 umgeben, wie es vorstehend beschrieben ist. Die Referenzelektrode 42 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet und ist mit der Lufteinführungsschicht 48 bedeckt, ausgenommen ein Abschnitt in Kontakt mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3. Mindestens ein Abschnitt der Referenzelektrode 42 kann mit der Lufteinführungsschicht 48 bedeckt sein. Wie es nachstehend beschrieben ist, kann die Referenzelektrode 42 zum Messen der Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) in dem ersten inneren Hohlraum 20, dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem dritten inneren Hohlraum 61 verwendet werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (z.B. eine Cermet-Elektrode, die aus Pt und ZrO2 zusammengesetzt ist) ausgebildet.
  • In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist der Gaseinlass 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum offen ist, so dass das Messgegenstandsgas von dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird. Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das durch den Gaseinlass 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgegenstandsgases, das von dem ersten Diffusionseinstellabschnitt 11 eingeführt worden ist, zu dem zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 ausgebildet ist. Der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das durch den Gaseinlass 10 aufgrund von Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (Pulsationen des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) rasch in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem die Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 beseitigt worden sind. Folglich sind die Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 22a, der über im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche eines Abschnitts der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, der 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, in einer Weise angeordnet ist, dass sie zu einem Außenraum (der Sensorelementkammer 133 in der 1) freiliegt, und einen Abschnitt der zweiten Festelektrolytschicht 6, der zwischen den Elektroden 22 und 23 gehalten ist, umfasst.
  • Die innere Pumpelektrode 22 ist über der oberen und unteren Festelektrolytschicht, die den ersten inneren Hohlraum 20 festlegen (d.h., der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) und der Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwand bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche 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 (nicht gezeigt) sind auf Seitenwandoberflächen (Innenoberflächen) der Abstandshalterschicht 5, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, so ausgebildet, dass sie den oberen Elektrodenabschnitt 22a und den unteren Elektrodenabschnitt 22b miteinander verbinden. Die innere Pumpelektrode 22 ist folglich so angeordnet, dass sie eine Tunnelstruktur in dem Abschnitt aufweist, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte angeordnet sind.
  • Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode (z.B. eine Cermet-Elektrode, die aus Pt und ZrO2, das 1 % Au enthält, zusammengesetzt ist) ausgebildet. Die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, ist aus einem Material mit einem verminderten Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas ausgebildet.
  • In der Hauptpumpzelle 21 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 angelegt, so dass bewirkt wird, dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in der positiven Richtung oder der negativen Richtung fließt. Demgemäß kann die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 von dem Außenraum hineinpumpen.
  • Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80.
  • Eine elektromotorische Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 wird zum Bestimmen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 gemessen. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 25 so gesteuert, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gehalten wird. Dies kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert halten.
  • Der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 gesteuert wird, so dass das Messgegenstandsgas in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet wird.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum, nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in dem ersten inneren Hohlraum 20 im Vorhinein, zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks des Messgegenstandsgases, das durch den dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 eingeführt worden ist, mittels einer Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt. Dies kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant halten und ermöglicht dem Gassensor 100 eine genaue Messung der NOx-Konzentration.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 51a, der über im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23 (oder jedwede andere geeignete Elektrode auf der Außenseite des Sensorelements 101 anstelle der äußeren Pumpelektrode 23), und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 weist eine Tunnelstruktur auf, die derjenigen der inneren Pumpelektrode 22 ähnlich ist, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist, 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 (nicht gezeigt) sind auf beiden Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, so dass der obere Elektrodenabschnitt 51a und der untere Elektrodenabschnitt 51b miteinander verbunden werden. Auf diese Weise wird die Tunnelstruktur bereitgestellt. Wie die innere Pumpelektrode 22 ist auch die Hilfspumpelektrode 51 aus einem Material mit einem verminderten Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas ausgebildet.
  • In der Hilfspumpzelle 50 wird eine gewünschte Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 angelegt. Demgemäß kann die Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in den zweiten inneren Hohlraum 40 von dem Außenraum hineinpumpen.
  • Zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81.
  • Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen bei einer variablen Stromversorgung 52 durch, deren Spannung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Demgemäß wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst.
  • Zusätzlich wird ein Pumpstrom Ip1 zum Steuern bzw. Einstellen der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 eingespeist, für welche die elektromotorische Kraft V0 so gesteuert wird, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 eingeführt werden soll, stets konstant bleibt. Wenn 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 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 gesteuert wird, so dass das Messgegenstandsgas in den dritten inneren Hohlraum 61 eingeführt wird. 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 Raum, nach der Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 im Vorhinein, zur Durchführung eines Verfahrens mit dem Messgegenstandsgas, das durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 eingeführt worden ist, zum Messen der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt. 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 Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44, die direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode (z.B. eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2), die aus einem Material mit einem höheren Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas als das Material der inneren Pumpelektrode 22 zusammengesetzt ist. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorliegt.
  • Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der durch eine Zersetzung von Stickstoffoxiden in der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, hinauspumpen und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2 erfassen.
  • Um ferner den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der Messelektrode 44 zu erfassen, bilden die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2), die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, gesteuert.
  • Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, dessen Sauerstoffpartialdruck eingestellt worden ist, tritt durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 hindurch und erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61. In dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der Messelektrode 44 werden Stickstoffoxide reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (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 Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant wird. Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgegenstandsgas mittels 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 Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann unter Verwendung einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) erfasst werden, die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird.
  • Ferner 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 Referenzgas-Regulierpumpzelle 90. Die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 führt ein Pumpen durch das Fließen eines Steuerstroms Ip3 durch, der durch eine Steuerspannung Vp3 verursacht wird, die durch einen Stromversorgungsschaltkreis 92 angelegt wird, der zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 angeschlossen ist. Demgemäß pumpt die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 Sauerstoff in den Raum um die Referenzelektrode 42 (die Lufteinführungsschicht 48) von dem Raum in der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 (die Sensorelementkammer 133 in der 1).
  • In dem Gassensor 100 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau werden die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 aktiviert, um der Messpumpzelle 41 das Messgegenstandsgas zuzuführen, dessen Sauerstoffpartialdruck bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der die NOx-Messung nicht wesentlich beeinflusst). Demgemäß kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 bestimmt werden, dessen Fließen dadurch bewirkt wird, dass die Messpumpzelle 41 Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx etwa proportional zu der Konzentration von NOx in dem Messgegenstandsgas erzeugt wird, hinauspumpt.
  • Das Sensorelement 101 umfasst ferner eine Heizeinrichtungseinheit 70, die zum Durchführen einer Temperatureinstellung zum Erwärmen des Sensorelements 101 und zum Warmhalten des Sensorelements 101 dient, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsanschlusselektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74, ein Druckablassloch 75 und eine Anschlussleitung 76.
  • Die Heizeinrichtungsanschlusselektrode 71 ist eine Elektrode, die in Kontakt mit einer unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ausgebildet ist. Das Verbinden der Heizeinrichtungsanschlusselektrode 71 mit einer externen Stromquelle ermöglicht das externe Zuführen von Strom zu der Heizeinrichtungseinheit 70.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er vertikal zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 gehalten ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsanschlusselektrode 71 mittels der Anschlussleitung 76 und des Durchgangslochs 73 verbunden. Die Heizeinrichtung 72 erzeugt Wärme als Reaktion auf den Strom, der ihr von außerhalb durch die Heizeinrichtungsan-schlusselektrode 71 zugeführt wird, so dass der Festelektrolyt, der in das Sensorelement 101 einbezogen ist, erwärmt wird und der Festelektrolyt warmgehalten wird.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist über eine gesamte Fläche von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und so ausgebildet, dass das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur eingestellt wird, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist.
  • Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus porösem Aluminiumoxid zusammengesetzt ist, das aus einem isolierenden Material, wie z.B. Aluminiumoxid, auf oberen und unteren Oberflächen der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist zum Bereitstellen einer elektrischen Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und einer elektrischen Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 bereitgestellt.
  • Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 erstreckt. Das Druckablassloch 75 ist zum Vermindern einer Zunahme des Innendrucks ausgebildet, der durch einen Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 verursacht wird.
  • Die variablen Stromversorgungen 25, 46 und 52 und der Stromversorgungsschaltkreis 92, die in der 2 und dergleichen gezeigt sind, sind tatsächlich mit den jeweiligen Elektroden mittels Anschlussleitungen (nicht gezeigt), die in dem Sensorelement 101 und dem Verbinder 150 ausgebildet sind, und den Anschlussleitungen 155, die in der 1 gezeigt sind, verbunden.
  • Nachstehend wird ein Beispielverfahren zur Herstellung des Gassensors 100 beschrieben. Zuerst werden sechs ungebrannte keramische Grünlagen hergestellt, die jeweils einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten, wie z.B. Zirkoniumoxid, als die keramische Komponente enthalten. Eine Mehrzahl von Lagenlöchern, die zum Positionieren während des Druckens oder Stapelns verwendet werden, eine Mehrzahl von erforderlichen Durchgangslöchern und dergleichen werden in den Grünlagen im Vorhinein ausgebildet. Ein Raum, der den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bildet, wird in der Grünlage für die Abstandshalterschicht 5 im Vorhinein durch Stanzen oder dergleichen bereitgestellt. Dann werden die keramischen Grünlagen einem Strukturdruckverfahren und einem Trocknungsverfahren gemäß der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 unterzogen, so dass verschiedene Strukturen auf den jeweiligen keramischen Grünlagen gebildet werden. Insbesondere sind die zu bildenden Strukturen beispielsweise Strukturen für die vorstehend beschriebenen jeweiligen Elektroden, Anschlussleitungen, die mit den jeweiligen Elektroden verbunden werden sollen, die Lufteinführungsschicht 48 und die Heizeinrichtungseinheit 70. Das Strukturdruckverfahren wird durch Aufbringen einer strukturbildenden Paste, die gemäß den Eigenschaften hergestellt wird, die für die jeweiligen zu bildenden Gegenstände erforderlich sind, auf die Grünlagen unter Verwendung einer bekannten Siebdrucktechnik durchgeführt. Das Trocknungsverfahren wird auch mittels einer bekannten Trocknungsvorrichtung durchgeführt. Nach dem Abschluss des Strukturdruckens und -trocknens wird eine Haftmittelpaste zum Stapeln und Verbinden der Grünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, gedruckt und getrocknet. Dann wird ein Druckverbindungsverfahren durchgeführt. Insbesondere werden die jeweiligen Grünlagen mit der darauf ausgebildeten Haftmittelpaste durch Ausrichten der Lagenlöcher positioniert, in einer vorgegebenen Reihenfolge gestapelt und dann einem Druckverbinden bei vorgegebenen Temperatur- und Druckbedingungen zur Bildung eines einzelnen Schichtkörpers unterzogen. Der resultierende Schichtkörper umfasst eine Mehrzahl von Sensorelementen 101. Der Schichtkörper wird zu der Größe der Sensorelemente 101 geschnitten. Jedes der geschnittenen Teile des Schichtkörpers wird bei einer vorgegebenen Brenntemperatur gebrannt, so dass das Sensorelement 101 hergestellt wird.
  • Nachdem das Sensorelement 101 in der vorstehend beschriebenen Weise erhalten worden ist, wird die Sensoranordnung 140 (vgl. die 1) mit dem darin eingebauten Sensorelement 101 hergestellt und die Komponenten, wie z.B. die Schutzabdeckung 130 und der Kautschukstopfen 157, werden in der Sensoranordnung 140 montiert, so dass der Gassensor 100 hergestellt wird.
  • Nachstehend werden die Funktionen der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 detailliert beschrieben. Das Messgegenstandsgas wird in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt, wie z.B. den Gaseinlass 10, in dem Sensorelement 101 von der Sensorelementkammer 133, die in der 1 gezeigt ist, eingeführt. Andererseits wird das Referenzgas (Luft) in dem Raum 149, der in der 1 gezeigt ist, in die Lufteinführungsschicht 48 des Sensorelements 101 eingeführt. Die Sensorelementkammer 133 und der Raum 149 sind durch die Sensoranordnung 140 (insbesondere die Grünpresskörper 145a und 145b) voneinander getrennt und abgedichtet, so dass ein Strömen eines Gases dazwischen verhindert wird. Wenn jedoch der Druck des Messgegenstandsgases groß ist, kann das Messgegenstandsgas geringfügig in den Raum 149 eindringen. Als Ergebnis kann sich dann, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 vermindert wird, das Referenzpotenzial, welches das Potenzial der Referenzelektrode 42 ist, ändern. Dies kann eine Spannung auf der Basis der Referenzelektrode 42, beispielsweise die Spannung V2 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82, ändern, und führt zu einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 dient zum Verhindern einer solchen Verminderung der Erfassungsgenauigkeit. Die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 legt die Steuerspannung Vp3 zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 an, so dass bewirkt wird, dass der Steuerstrom Ip3 dazwischen fließt, wodurch ein Hineinpumpen von Sauerstoff von der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 zu der Umgebung der Referenzelektrode 42 durchgeführt wird. Demgemäß kann, wie es vorstehend beschrieben ist, wenn die Sauerstoffkonzentration des Messgegenstandsgases in der Umgebung der Referenzelektrode 42 vermindert ist, die verminderte Menge an Sauerstoff kompensiert werden, und eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration kann verhindert werden.
  • Der Stromversorgungsschaltkreis 92 der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 legt als die Steuerspannung Vp3 eine Spannung an, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Demgemäß gibt es einen ersten Zeitraum und einen zweiten Zeitraum. Während des ersten Zeitraums weist die Spannung Vref zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 einen großen Wert auf (= Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23). Während des zweiten Zeitraums weist die Spannung Vref einen kleinen Wert auf. Die 3 ist ein erläuterndes Diagramm, das zeitliche Änderungen der Steuerspannung Vp3 und der Spannung Vref zeigt. Der obere Teil von 3 zeigt die zeitliche Änderung der Steuerspannung Vp3, und der untere Teil von 3 zeigt die zeitliche Änderung 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. In der 3 stellt die Aufwärtsrichtung auf der vertikalen Achse die positive Richtung dar. Wie es in der 3 gezeigt ist, ist die Steuerspannung Vp3 eine Spannung mit einer Pulswellenform, die in einem Zyklus T wiederholt ein- und ausgeschaltet wird. Beispielsweise wenn die Steuerspannung Vp3 bei der Zeit t1 eingeschaltet wird, steigt die Steuerspannung Vp3 von 0 V zu einer maximalen Spannung Vp3max und bleibt bis zu der Zeit t4 in demselben Zustand, bei der eine Ein-Zeit Tein endet. Wenn die Steuerspannung Vp3 bei der Zeit t4 ausgeschaltet wird, bleibt die Steuerspannung Vp3 bis zu der Zeit t7, bei der eine Aus-Zeit Taus endet, bei 0 V. Als Reaktion auf die Steuerspannung Vp3 beginnt die Spannung Vref bei der Zeit t1 anzusteigen, erreicht eine maximale Spannung Vrefmax bei der Zeit t4 und beginnt, bei der Zeit t4 zu fallen, wobei eine minimale Spannung Vrefmin bei der Zeit t7 erreicht wird. Dabei wird eine Differenz zwischen der maximalen Spannung Vrefmax und der minimalen Spannung Vrefmin der Spannung Vref, die durch Ein- und Ausschalten der Steuerspannung Vp3 erzeugt wird, als 100 % dargestellt, die als Referenz zum Bestimmen eines Anstiegszeitraums, des ersten Zeitraums, eines Abfallzeitraums und des zweiten Zeitraums der Spannung Vref verwendet wird. Insbesondere wird ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref von 10 % bis 90 % ansteigt (Zeit t2 bis Zeit t3), als der Anstiegszeitraum dargestellt, und dessen Länge wird als Anstiegszeit Tr dargestellt. Ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref größer als oder gleich 90 % ist (Zeit t3 bis Zeit t5), wird als der erste Zeitraum dargestellt, und dessen Länge wird als erste Zeit T1 dargestellt. Ein Zeitraum, während dem die Spannung Vref von 90 % auf 10 % fällt (Zeit t5 bis Zeit t6), wird als der Abfallzeitraum dargestellt, und dessen Länge wird als Abfallzeit Tf dargestellt. Ein Zeitraum, ab dem die Spannung Vref auf 10 % fällt, wenn die Spannung Vref als Reaktion auf das Einschalten der Steuerspannung Vp3 in dem nächsten Zyklus anzusteigen beginnt (Zeit t6 bis Zeit t7), wird als der zweite Zeitraum dargestellt, und dessen Länge wird als zweite Zeit T2 dargestellt. 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 dargestellt. In der 3 wird die Spannung Vref die maximale Spannung Vrefmax für die erste Zeit bei der Zeit t4, bei der die Steuerspannung Vp3 abfällt. Wenn jedoch die Ein-Zeit Tein lang ist, kann die Spannung Vref die maximale Spannung Vrefmax vor der Zeit t4 erreichen.
  • Während des zweiten Zeitraums erfasst die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Spannung V2. Insbesondere erhält die Messpumpzelle 41 während des zweiten Zeitraums den Wert der Spannung V2 und führt eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart durch, dass die Spannung V2 einen vorgegebenen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., so dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration wird). Demgemäß wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt, so dass Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx in dem Messgegenstandsgas erzeugt wird, in dem dritten inneren Hohlraum 61 im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Messpumpzelle 41 den Wert des Pumpstroms Ip2, der aufgrund der Spannung Vp2 fließt. Wie es vorstehend beschrieben ist, erfasst die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration (hier den Pumpstrom Ip2) während des zweiten Zeitraums, wodurch die Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, die durch die Steuerspannung Vp3 zum Hineinpumpen von Sauerstoff zu der Messelektrode 44 verursacht wird, verhindert werden kann. Beispielsweise wird ein Fall in Betracht gezogen, bei dem die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration während des ersten Zeitraums misst. In diesem Fall liegt anders als in dem zweiten Zeitraum während des ersten Zeitraums die Steuerspannung Vp3 im Ein-Zustand vor und folglich wird die Spannung Vref zu einem Wert geändert, der höher ist als die Spannung Vref*, die der Wert ist, der ansonsten erhalten wird (eine Spannung auf der Basis einer Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen einer Fläche in der Umgebung der Referenzelektrode 42 und einer Fläche in der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23). Demgemäß ändert sich das Potenzial der Referenzelektrode 42 und auch die Spannung V2 ändert sich. Folglich ist es dann, wenn die Messpumpzelle 41 bewirkt, dass der Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 während des ersten Zeitraums fließt, wahrscheinlich, dass der Pumpstrom Ip2 von dem korrekten Wert abweicht, der die NOx-Konzentration darstellt, und es ist wahrscheinlich, dass eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration auftritt. Während des zweiten Zeitraums beeinflusst im Gegensatz dazu die Steuerspannung Vp3 das Potenzial der Referenzelektrode 42 weniger als während des ersten Zeitraums. Insbesondere ist die Spannung Vref während des zweiten Zeitraums nach dem Abfallen der Spannung Vref ein Wert näher an der Spannung Vref* als die Spannung Vref während des ersten Zeitraums. Folglich misst die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration während des zweiten Zeitraums, wodurch eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration verhindert wird. Insbesondere umfasst die Spannung Vref* zwangsläufig die thermoelektromotorische Kraft, die zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 erzeugt wird.
  • Wie es aus der 3 ersichtlich ist, nimmt die Spannung Vref ab dem Zeitpunkt, bei dem die Steuerspannung Vp3 ausgeschaltet ist, für einen bestimmten Zeitraum ab. Es wird davon ausgegangen, dass eine solche Abnahme der Spannung Vref beispielsweise durch eine Kapazitätskomponente, wie z.B. die Referenzelektrode 42, beeinflusst wird. Folglich kann selbst während des zweiten Zeitraums eine Restspannung Vrs, die sich aus der Steuerspannung Vp3 ergibt, zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 vorliegen. In diesem Fall ist beispielsweise 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, neigt die Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration zu einer Verbesserung, wenn die Restspannung Vrs abnimmt. Folglich ist es umso mehr bevorzugt, je niedriger die Restspannung Vrs ist. Beispielsweise ist es umso mehr bevorzugt, je niedriger die Abfallspannung V10 ist. Es ist umso mehr bevorzugt, je niedriger die minimale Spannung Vrefmin ist. Darüber hinaus neigt, da die Restspannung Vrs während des zweiten Zeitraums im Zeitverlauf abnimmt, eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration zu einem Zeitpunkt näher an dem Ende des zweiten Zeitraums dazu, vollständiger verhindert zu werden (in der 3 die Zeit t7). Demgemäß erfasst die Messpumpzelle 41 vorzugsweise die NOx-Konzentration zu einem möglichst späten Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums. Es ist auch bevorzugt, dass ein Zeitraum, der für die Messpumpzelle 41 zum Erfassen der NOx-Konzentration erforderlich ist (z.B. der Zeitraum von der Erfassung der Spannung V2 bis zur Erfassung des Werts des Pumpstroms Ip2, vorstehend beschrieben), in den zweiten Zeitraum einbezogen wird. Die Messpumpzelle 41 erfasst vorzugsweise die NOx-Konzentration in demselben Zyklus T wie demjenigen, in dem die Steuerspannung Vp3 ein- und ausgeschaltet wird. Dadurch kann in jedem Zyklus T die NOx-Konzentration zu demselben Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums wiederholt erfasst werden.
  • Wie die Messpumpzelle 41 führen vorzugsweise auch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 die jeweiligen Vorgänge während des zweiten Zeitraums in jedem Zyklus T durch. Beispielsweise erhält die Hauptpumpzelle 21 vorzugsweise die elektromotorische Kraft V0 und führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 auf der Basis der erhaltenen elektromotorischen Kraft V0 während des zweiten Zeitraums in jedem Zyklus T durch. Die Hilfspumpzelle 50 erhält vorzugsweise die elektromotorische Kraft V1 und führt eine Regelung der Spannung Vp1 auf der Basis der erhaltenen elektromotorischen Kraft V1 während des zweiten Zeitraums in jedem Zyklus T durch. Demgemäß werden die Vorgänge der Zellen 21 und 50 durch eine Änderung des Potenzials der Referenzelektrode 42, die sich aus der Steuerspannung Vp3 ergibt, ebenfalls weniger beeinflusst.
  • Die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 und deren Abmessungen werden nachstehend beschrieben. Die 4 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 gemäß dieser Ausführungsform in einer Draufsicht zeigt. Die 5 ist ein erläuterndes Diagramm, das eine Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in einem Vergleichsbeispiel zeigt. In den 4 und 5 wird das Sensorelement 101 virtuell in einer Perspektive von oben betrachtet. Die Position der Referenzelektrode 42 ist durch eine Strich-Punkt-Linie angegeben und die Position der Messelektrode 44 ist durch eine gestrichelte Linie angegeben. In den 4 und 5 sind ferner die weiteren Komponenten, wie z.B. die äußere Pumpelektrode 23, nicht gezeigt.
  • Wie es in der 4 gezeigt ist, sind in dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, betrachtet in der Dickenrichtung der Festelektrolytschichten (der Schichten 1 bis 6) (hier in der Aufwärtsrichtung), die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 so angeordnet, dass ein Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 überlappt. D.h., der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 befindet sich in einer Draufsicht innerhalb einer Fläche, bei der die Messelektrode 44 vorliegt (in der 4 innerhalb eines Rahmens aus einer gestrichelten Linie). Der Ausdruck „Schwerpunkt der Referenzelektrode 42“, wie er hier verwendet wird, bezieht sich auf einen Schwerpunkt einer zweidimensionalen Form in einer Draufsicht. Demgemäß wird die Position des Schwerpunkts bestimmt, ohne dass Variationen der Dicke der Referenzelektrode 42 oder dergleichen berücksichtigt werden. Mit anderen Worten, der Ausdruck „Schwerpunkt der Referenzelektrode 42“ bezieht sich auf einen Masseschwerpunkt unter der Annahme, dass die Dicke der Referenzelektrode 42 einheitlich ist. Da die Dicke der Referenzelektrode 42 viel geringer ist als die Vorne-hinten-Länge oder die Links-rechts-Breite davon, wird der Schwerpunkt durch Ignorieren des Einflusses der Dicke bestimmt, wie es vorstehend beschrieben ist. Dasselbe gilt für den Schwerpunkt der Messelektrode 44.
  • In dieser Ausführungsform weisen die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 in einer Draufsicht jeweils eine rechteckige Form auf, wobei sich die Seiten der rechteckigen Form nach vorne, hinten, links und rechts erstrecken. In dieser Ausführungsform ist demgemäß der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Mitte in der Vorne-hinten-Richtung und die Mitte in der Links-rechts-Richtung der Referenzelektrode 42. Wie es in der 4 gezeigt ist, ist die Messelektrode 44 so angeordnet, dass sie in einer Draufsicht in die Referenzelektrode 42 einbezogen ist. Mit anderen Worten, die Messelektrode 44 ist so angeordnet, dass sie die Referenzelektrode 42 in einer Draufsicht vollständig überlappt. In der 4 stimmt ferner der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 mit dem Schwerpunkt der Messelektrode 44 in einer Draufsicht überein. Darüber hinaus beträgt die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung weniger als oder gleich 1,1 mm. Es sollte beachtet werden, dass in der 4 der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 mit demjenigen der Messelektrode 44 in einer Draufsicht übereinstimmt. Der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 muss jedoch nicht mit demjenigen der Messelektrode 44 übereinstimmen. Der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 kann die Messelektrode 44 überlappen. Wenn der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 nicht mit dem Schwerpunkt der Messelektrode 44 in einer Draufsicht übereinstimmt, kann der Abstand zwischen dem Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 und dem Schwerpunkt der Messelektrode 44 in einer Draufsicht weniger als oder gleich 290 µm oder weniger als oder gleich 200 µm oder weniger als oder gleich 150 µm oder weniger als oder gleich 100 µm betragen.
  • Wie es vorstehend beschrieben ist, überlappt der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht, und die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung beträgt weniger als oder gleich 1,1 mm. Dies kann die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verkürzen und die stationäre thermoelektromotorische Kraft vermindern. Dies wird nachstehend beschrieben.
  • Im Gebrauch wird das Sensorelement 101 durch die Heizeinrichtung 72 erwärmt und wird bei einer Temperatur warmgehalten, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist (z.B. 800 °C). Zu diesem Zeitpunkt wird eine thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 aufgrund der Temperaturdifferenz dazwischen erzeugt. Sofort nachdem die Heizeinrichtung 72 mit dem Erwärmungsbetrieb begonnen hat, weist die thermoelektromotorische Kraft aufgrund der Temperaturvariationen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 einen instabilen Wert auf. Ferner weist das Sensorelement 101 eine lange, rechteckige Parallelepipedform auf und der Elementkörper (die Schichten 1 bis 6) weist eine Längsrichtung auf. Folglich sind, wenn der Elementkörper durch die Heizeinrichtung 72 erwärmt wird, die Temperaturvariationen des Elementkörpers in der Längsrichtung (Vorne-hinten-Richtung) größer als die Temperaturvariationen des Elementkörpers in der Breitenrichtung (der Links-rechts-Richtung). Demgemäß ist es mit zunehmender Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung wahrscheinlicher, dass die Temperaturvariationen der Elektrode zunehmen, was zu einer Zunahme der Zeit führt, die erforderlich ist, um die Temperaturen in der Elektrode einheitlich zu machen. Im Gegensatz dazu beträgt die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung weniger als oder gleich 1,1 mm, wodurch die Temperaturen in jeder Elektrode schneller einheitlich gemacht werden. Dies verkürzt die Zeit, die zur Stabilisierung der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 erforderlich ist. Darüber hinaus kann, da der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht überlappt, die stationäre Temperaturdifferenz zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 vermindert werden und die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 kann vermindert werden. Im Gegensatz dazu nimmt beispielsweise in der Positionsbeziehung in dem Vergleichsbeispiel, das in der 5 gezeigt ist, d.h., wenn der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht nicht überlappt, die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 zu. In der 5 ist wie in der 4 die Messelektrode 44 so angeordnet, dass sie in einer Draufsicht in die Referenzelektrode 42 einbezogen ist. Selbst in diesem Fall nimmt, wie es in der 5 gezeigt ist, wenn der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht nicht überlappt, die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 zu.
  • Die thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 ist in die Spannung V2 einbezogen, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird. Folglich weicht dann, wenn die thermoelektromotorische Kraft instabil ist oder die stationäre thermoelektromotorische Kraft groß ist, die Spannung V2 von einem Wert ab, der ansonsten erfasst werden würde, d.h., einem Spannungswert, welcher der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen einer Fläche in der Umgebung der Referenzelektrode 42 und einer Fläche in der Umgebung der Messelektrode 44 entspricht. Dies führt zu einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration des Gassensors 100. In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform kann die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verkürzt werden und die stationäre thermoelektromotorische Kraft kann vermindert werden. Daher kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration aufgrund der thermoelektromotorischen Kraft verhindert werden. Darüber hinaus kann, da die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft verkürzt werden kann, die Anspringzeit des Gassensors 100 (die Zeit, ab der die Heizeinrichtung 72 mit Strom versorgt wird, bis die korrekte Erfassung der NOx-Konzentration verfügbar ist) verkürzt werden.
  • Darüber hinaus ist die Fläche der Referenzelektrode 42 in einer Draufsicht größer als oder gleich 1,0 mm2. Dies vermindert den Widerstandswert der Referenzelektrode 42 und kann folglich die Restspannung Vrs (vgl. die 3) zwischen der Referenzelektrode 42 und der äußeren Pumpelektrode 23 während des zweiten Zeitraums gemäß der vorstehenden Beschreibung vermindern. Da die Restspannung Vrs das Potenzial der Referenzelektrode 42 beeinflusst, kann die Verminderung der Restspannung Vrs eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration verhindern. Die Fläche der Referenzelektrode 42 in einer Draufsicht ist vorzugsweise größer als 1,0 mm2, ist mehr bevorzugt größer als oder gleich 1,2 mm2 und ist mehr bevorzugt größer als oder gleich 1,5 mm2.
  • Die Fläche der Referenzelektrode 42 ist in einer Draufsicht vorzugsweise kleiner als oder gleich 4,0 mm2. Wenn die Fläche der Referenzelektrode 42 übermäßig groß ist, erfordert es Zeit, die Temperaturen in der Referenzelektrode 42 einheitlich zu machen, was zu einer Zunahme der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft führen kann. Wenn die Fläche der Referenzelektrode 42 weniger als oder gleich 4,0 mm2 beträgt, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft erhöht wird.
  • Entsprechend kann die Fläche der Messelektrode 44 in einer Draufsicht auch weniger als oder gleich 4,0 mm2 betragen. Die Fläche der Messelektrode 44 in einer Draufsicht ist vorzugsweise größer als oder gleich 0,2 mm2 und kleiner als oder gleich 2,0 mm2. Wenn die Fläche der Messelektrode 44 größer als oder gleich 0,2 mm2 ist, ist der Widerstandswert der Messelektrode 44 nicht übermäßig groß, was zu einer Zunahme des Werts des Pumpstroms Ip2, der zur Messung der NOx-Konzentration verwendet wird, und zu einer ausreichenden Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases führt. Im Gegensatz dazu ist beispielsweise, wenn der Widerstandswert der Messelektrode 44 übermäßig groß ist, selbst wenn sich die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ändert, die Änderung des Werts des Pumpstroms Ip2 gering, was zu einer Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Konzentration eines spezifischen Gases führt. Wenn die Fläche der Messelektrode 44 weniger als oder gleich 2,0 mm2 beträgt, ist der Widerstandswert der Messelektrode 44 nicht übermäßig gering, wodurch ein kleiner Offset-Strom erreicht wird (der Pumpstrom Ip2, der fließt, wenn das Messgegenstandsgas kein NOx enthält). Dies führt auch zu einer ausreichenden Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration.
  • Der Abstand zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Dickenrichtung (hier der Abstand in der Oben-unten-Richtung) ist vorzugsweise größer als oder gleich 50 µm und kleiner als oder gleich 500 µm. In dieser Ausführungsform ist dieser Abstand der Abstand zwischen einer oberen Oberfläche der Referenzelektrode 42 und einer unteren Oberfläche der Messelektrode 44 in der Oben-unten-Richtung. Wenn der Abstand zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Dickenrichtung größer als oder gleich 50 µm ist, ist ein Abschnitt des Elementkörpers zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 (hier Abschnitte der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Lufteinführungsschicht 48) nicht übermäßig dünn. Folglich ist es weniger wahrscheinlich, dass in dem Elementkörper ein Riss auftritt. Ein Abstand von weniger als oder gleich 500 µm in der Dickenrichtung kann die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 weiter vermindern.
  • Die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 1,0 mm und ist mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 0,95 mm. Wenn die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung abnimmt, werden die Temperaturen in der Referenzelektrode 42 schneller einheitlich gemacht. Die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung kann größer als oder gleich 0,5 mm sein. Die Dicke der Referenzelektrode 42 kann 5 bis 30 µm betragen. Die Breite der Referenzelektrode 42 in der Links-rechts-Richtung kann 1,0 bis 4,0 mm betragen.
  • Die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 1,0 mm, ist mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 0,95 mm und ist noch mehr bevorzugt kleiner als oder gleich 0,57 mm. Wenn die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung abnimmt, werden die Temperaturen in der Messelektrode 44 schneller einheitlich gemacht. Die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung kann größer als oder gleich 0,2 mm sein. Die Dicke der Messelektrode 44 kann 5 bis 30 µm betragen. Die Breite der Messelektrode 44 in der Links-rechts-Richtung kann 0,5 bis 2,5 mm betragen.
  • Ein Verhältnis Rr, das ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung durch die Länge der Referenzelektrode 42 in der Breitenrichtung erhalten wird, kann größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 sein. Das Verhältnis Rr kann kleiner als oder gleich 0,7, kleiner als oder gleich 0,5 oder kleiner als oder gleich 0,45 sein. Ein Verhältnis Rm, das ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung durch die Länge der Messelektrode 44 in der Breitenrichtung erhalten wird, kann größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 sein. Das Verhältnis Rm kann kleiner als oder gleich 0,7, kleiner als oder gleich 0,5 oder kleiner als oder gleich 0,4 sein. In dieser Ausführungsform entsprechen, da die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 in einer Draufsicht jeweils eine rechteckige Form aufweisen, wobei sich die Seiten der rechteckigen Form nach vorne, hinten, links und rechts erstrecken, das Verhältnis Rr und das Verhältnis Rm den Seitenverhältnissen der Referenzelektrode 42 bzw. der Messelektrode 44. Wenn das Verhältnis Rr abnimmt, kann die Zeit verkürzt werden, die erforderlich ist, um die Temperaturen in der Referenzelektrode 42 durch Vermindern der Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung, während die Fläche der Referenzelektrode 42 bei einer geeigneten Größe aufrechterhalten wird, einheitlich zu machen. Entsprechend kann, wenn das Verhältnis Rm abnimmt, die Zeit verkürzt werden, die erforderlich ist, um die Temperaturen in der Messelektrode 44 durch Vermindern der Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung, während die Fläche der Messelektrode 44 bei einer geeigneten Größe aufrechterhalten wird, einheitlich zu machen
  • Nachstehend wird die Entsprechung zwischen den Bestandteilselementen dieser Ausführungsform und den Bestandteilselementen der vorliegenden Erfindung erläutert. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 dieser Ausführungsform entsprechen einem Elementkörper der vorliegenden Erfindung, die Messelektrode 44 entspricht einer Messelektrode, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode und die Heizeinrichtung 72 entspricht einer Heizeinrichtung. Die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode und einer äußeren Messelektrode, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 entspricht einer Referenzgas-Reguliervorrichtung und die Messpumpzelle 41 entspricht einer Erfassungsvorrichtung. Der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Messpumpstrom.
  • In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, überlappt der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht, und die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung ist kleiner als oder gleich 1,1 mm. Dies kann die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verkürzen und die stationäre thermoelektromotorische Kraft vermindern.
  • Da der Abstand zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Dickenrichtung größer als oder gleich 50 µm ist, ist es darüber hinaus weniger wahrscheinlich, dass ein Riss in dem Elementkörper auftritt. Da der Abstand in der Dickenrichtung kleiner als oder gleich 500 µm ist, kann die stationäre thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 vermindert werden. Da die Fläche der Referenzelektrode 42 kleiner als oder gleich 4,0 mm2 ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zunimmt.
  • Da ferner die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 die Steuerspannung Vp3 anlegt, um Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode 42 zu pumpen, kann die Verminderung der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 kompensiert werden. Darüber hinaus legt die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 die Steuerspannung Vp3 an, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, und die Messpumpzelle 41 erfasst die NOx-Konzentration auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums. Dies kann eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration, die sich aus der Steuerspannung Vp3 ergibt, verhindern. Da die Fläche der Referenzelektrode 42 größer als oder gleich 1,0 mm2 ist, kann die Restspannung Vrs vermindert werden und eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration kann verhindert werden.
  • Darüber hinaus pumpt die Messpumpzelle 41 Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, von der Umgebung der Messelektrode 44 zu der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 hinaus und erfasst die NOx-Konzentration auf der Basis des Fließens des Pumpstroms Ip2 zu dieser Zeit. Da die Fläche der Messelektrode 44 größer als oder gleich 0,2 mm2 ist, nimmt der Wert des Pumpstroms Ip2 zu, was zu einer ausreichenden Erfassungsgenauigkeit der NOx-Konzentration führt. Darüber hinaus kann der Offset-Strom des Gassensors 100 vermindert werden, da die Fläche der Messelektrode 44 kleiner als oder gleich 2,0 mm2 ist.
  • Es ist selbstverständlich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und in verschiedenen Formen ausgeführt werden kann, ohne von dem technischen Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Lufteinführungsschicht 48 über einer Fläche von der Referenzelektrode 42 bis zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 101 in der Längsrichtung angeordnet, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Die 6 ist eine schematische Schnittansicht eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung. Wie es in der 6 gezeigt ist, umfasst das Sensorelement 201 einen Referenzgaseinführungsraum 43 über einer Lufteinführungsschicht 248. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist ein Raum, der zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und einer unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Position angeordnet ist, bei der die Seiten des Raums durch Seitenoberflächen der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt sind. Der Referenzgaseinführungsraum 43 weist ein hinteres Ende auf, das zu einer hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 offen ist. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist an der Vorderseite des Druckablasslochs 75 in der Vorne-hinten-Richtung angeordnet, und das Druckablassloch 75 ist zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 offen. Anders als die Lufteinführungsschicht 48 ist die Lufteinführungsschicht 248 nicht bis zu einem hinteren Ende des Sensorelements 201 angeordnet. Folglich liegt die Lufteinführungsschicht 248 nicht zu der hinteren Endoberfläche des Sensorelements 201 frei. Stattdessen liegt ein Abschnitt einer oberen Oberfläche der Lufteinführungsschicht 248 zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 frei. Der freiliegende Abschnitt dient als Einlass 48c in der Lufteinführungsschicht 248. Ein Referenzgas wird durch den Einlass 48c von dem Referenzgaseinführungsraum 43 in die Lufteinführungsschicht 248 eingeführt. In dem Sensorelement 201 kann die Lufteinführungsschicht 248 derart bis zu dem hinteren Ende des Sensorelements 201 angeordnet sein, dass ein hinteres Ende der Lufteinführungsschicht 248 mit dem hinteren Ende des Sensorelements 201 übereinstimmt.
  • 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, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Beispielsweise muss, wie in dem vorstehend beschriebenen Sensorelement 201, das in der 6 gezeigt ist, der dritte innere Hohlraum 61 nicht einbezogen sein. In dem Sensorelement 201 gemäß der Modifizierung, die in der 6 gezeigt ist, sind der Gaseinlass 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 in der angegebenen Reihenfolge angrenzend angeordnet und miteinander in Verbindung. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten Diffusionseinstellabschnitt 45 bedeckt. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 ist ein Film, der aus einem porösen keramischen Material, wie z.B. Aluminiumoxid (Al2O3), hergestellt ist. Wie der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 zum Begrenzen der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 dient auch als Schutzfilm der Messelektrode 44. Der obere Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist bis zu einer Position unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. In dem Sensorelement 201 mit dem vorstehend beschriebenen Aufbau kann die Messpumpzelle 41 die NOx-Konzentration in einer Weise erfassen, die derjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ähnlich ist. In dem Sensorelement 201, das in der 6 gezeigt ist, dient ein Abschnitt in der Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpelektrode 23 als Elektrode (auch als äußere Messelektrode bezeichnet), die mit der Messelektrode 44 der Messpumpzelle 41 gepaart ist, und dient auch als Elektrode (auch als Messgegenstandsgas-seitige Elektrode bezeichnet), die mit der Referenzelektrode 42 der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 gepaart ist, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Mindestens eine der äußeren Messelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode kann auf der Außenseite des Elementkörpers getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 angeordnet sein, so dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt. Darüber hinaus kann die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 in einem Abschnitt des Sensorelements 101 angeordnet sein, der mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, und die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode muss sich nicht auf der Außenseite des Elementkörpers befinden. Beispielsweise kann die innere Pumpelektrode 22 auch als die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 dienen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant wird, und die Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgegenstandsgas wird unter Verwendung des Fließens des Pumpstroms Ip2 zu diesem Zeitpunkt berechnet. Alternativ kann jedwede andere Vorrichtung verwendet werden, die zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis einer Spannung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 ausgebildet ist. Beispielsweise können die Messelektrode 44, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 kombiniert verwendet werden, so dass eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsvorrichtung gebildet wird, die als elektrochemische Sensorzelle dient. Demgemäß kann eine Spannung, die einer Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, die durch Reduzieren der NOx-Komponente in der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff in der Umgebung der Referenzelektrode 42 entspricht, als die Spannung V2 erfasst werden, die zur Bestimmung der Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas verwendet werden kann. In diesem Fall entspricht diese elektrochemische Sensorzelle einer Erfassungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung. Auf diese Weise ist es, wenn die Spannung V2 als der Wert, welcher der NOx-Konzentration entspricht, erfasst wird, bevorzugt, dass die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert wird (z.B. die Spannung Vp2, die einer Regelung unterzogen wird, oder die Spannung Vp2, die einer Konstantsteuerung unterzogen wird), dass der Pumpstrom Ip2 ein konstanter Zielwert Ip2* wird. Die Messpumpzelle 41 wird so gesteuert, dass der Pumpstrom Ip2 der Zielwert Ip2* wird, wodurch Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 bei einer im Wesentlichen konstanten Flussrate hinausgepumpt werden kann. Folglich ändert sich die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 gemäß der Menge von Sauerstoff, die durch Reduzieren von NOx in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, und die Spannung V2 ändert sich entsprechend. Die Spannung V2 ist folglich ein Wert, welcher der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht. Daher kann die NOx-Konzentration auf der Basis der Spannung V2 berechnet werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Referenzelektrode 42 direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Beispielsweise kann die Referenzelektrode 42 direkt auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet sein. Alternativ können zwei oder mehr Festelektrolytschichten zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 vorliegen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Referenzgas Luft. Jedwedes andere Gas kann als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet werden. Beispielsweise kann der Raum 149 mit einem Gas, das im Vorhinein auf eine vorgegebene Sauerstoffkonzentration eingestellt worden ist (> die Sauerstoffkonzentration des Messgegenstandsgases), als Referenzgas gefüllt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform legt die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 die Steuerspannung Vp3 zum Pumpen von Sauerstoff in der Umgebung der Referenzelektrode 42 an, wobei diese weggelassen werden kann. D.h., der Gassensor 100 muss die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 nicht umfassen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist das Sensorelement 101 zum Erfassen der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ausgebildet. Alternativ kann jedwede andere Vorrichtung zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet werden. Beispielsweise kann die Konzentration von Oxiden, die von NOx verschieden sind, als Konzentration eines spezifischen Gases erfasst werden. Wenn das spezifische Gas wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Oxid ist, wird das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Folglich kann die Messpumpzelle 41 einen erfassten Wert (z.B. den Pumpstrom Ip2) erhalten, der dem Sauerstoff entspricht, so dass die Konzentration eines spezifischen Gases erfasst wird. Alternativ kann das spezifische Gas ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, sein. Wenn das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird das spezifische Gas in ein Oxid umgewandelt (z.B. wird Ammoniak zu NO umgewandelt), so dass das umgewandelte Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Die Messpumpzelle 41 erhält einen erfassten Wert (z.B. den Pumpstrom Ip2), der dem Sauerstoff entspricht, so dass die Konzentration eines spezifischen Gases erfasst wird. Beispielsweise wirkt die innere Pumpelektrode 22 des ersten inneren Hohlraums 20 als Katalysator zum Umwandeln von Ammoniak zu NO in dem ersten inneren Hohlraum 20.
  • Alternativ kann das spezifische Gas Sauerstoff sein. Die 7 ist ein erläuterndes Diagramm eines Gassensors 300 gemäß einer Modifizierung. In der 7 sind die gleichen Komponenten wie diejenigen in der 2 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Der Gassensor 300 gemäß der Modifizierung umfasst ein Sensorelement 301, das die Abstandshalterschicht 5, die zweite Festelektrolytschicht 6, die innere Pumpelektrode 22, die äußere Pumpelektrode 23, die Hilfspumpelektrode 51 und den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt des Sensorelements 101 nicht umfasst. In dem Sensorelement 301 ist die Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, auf der Außenseite des Elementkörpers (den Schichten 1 bis 4) angeordnet. Wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die Messelektrode 44 eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2 sein oder kann auch beispielsweise Au oder dergleichen enthalten, um ein vermindertes Reduktionsvermögen für die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas zu erreichen. In dem Sensorelement 301 wird eine elektromotorische Kraft (die Spannung V2), die der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht, zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 erzeugt. Die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst die Spannung V2 zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas. Auch in dem Gassensor 300 ist die thermoelektromotorische Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in die Spannung V2 einbezogen. In dem Sensorelement 301 überlappt demgemäß der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht und die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung ist kleiner als oder gleich 1,1 mm. Dies kann die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verkürzen und die stationäre thermoelektromotorische Kraft erhöhen, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist. In dem Gassensor 300 kann daher eine Verminderung der Erfassungsgenauigkeit der Sauerstoffkonzentration verhindert werden und die Anspringzeit kann verkürzt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper mit einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten (den Schichten 1 bis 6), obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen. Beispielsweise können in der 2 die Schichten 1 bis 5, ausgenommen die zweite Festelektrolytschicht 6, Schichten sein, die von einer Festelektrolytschicht verschieden sind (z.B. Aluminiumoxidschichten). In diesem Fall können die jeweiligen Elektroden des Sensorelements 101 auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Messelektrode 44, die in der 2 gezeigt ist, auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Die Lufteinführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 anstatt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet sein, und die Referenzelektrode 42 kann hinter dem dritten inneren Hohlraum 61 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Auch in dem Sensorelement 301 gemäß der Modifizierung, die in der 7 gezeigt ist, können die Schichten 1 bis 3, ausgenommen die erste Festelektrolytschicht 4, Schichten sein, die von einer Festelektrolytschicht verschieden sind. In diesem Fall kann die Referenzelektrode 42 auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 in einer Draufsicht jeweils eine rechteckige Form aufweisen, wobei sich die Seiten der rechteckigen Form nach vorne, hinten, links und rechts erstrecken, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Beispielsweise kann mindestens eine der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 eine Form aufweisen, die von einer rechteckigen Form verschieden ist, oder sie kann eine rechteckige Form aufweisen, deren Seiten nicht mit den Richtungen nach vorne, hinten, links und rechts ausgerichtet sind. In diesen Fällen kann die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung der Abstand von dem vorderen Ende zu dem hinteren Ende der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung sein. Dasselbe gilt für die Breite in der Links-rechts-Richtung. Dasselbe gilt für die Messelektrode 44.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO2, die 1 % Au enthält, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Die innere Pumpelektrode 22 kann ein katalytisch aktives Edelmetall (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) und ein Edelmetall (z.B. Au) mit einem Vermögen zur Hemmung einer katalytischen Aktivität enthalten, so dass die katalytische Aktivität des katalytisch aktiven Edelmetalls für das spezifische Gas gehemmt wird. Wie die innere Pumpelektrode 22 kann die Hilfspumpelektrode 51 ein katalytisch aktives Edelmetall und ein Edelmetall mit einem Vermögen zur Hemmung einer katalytischen Aktivität enthalten. Die äußere Pumpelektrode 23, die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 können jeweils das vorstehend beschriebene katalytisch aktive Edelmetall enthalten. Die Elektroden 22, 23, 42, 44 und 51 sind jeweils vorzugsweise aus einem Cermet ausgebildet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (z.B. ZrO2) enthält. Eine oder mehrere dieser Elektroden muss oder müssen jedoch nicht aus einem Cermet ausgebildet sein. Die Elektroden 22, 23, 42, 44 und 51 sind jeweils vorzugsweise porös. Eine oder mehrere dieser Elektroden muss oder müssen jedoch nicht porös sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Beispielsweise kann eine Regelung der Pumpspannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart durchgeführt werden, dass der Pumpstrom Ip1 einen Zielwert Ip1* erreicht. D.h., die Steuerung der elektromotorischen Kraft V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 kann weggelassen werden, und die Pumpspannung Vp0 kann auf der Basis des Pumpstroms Ip1 direkt gesteuert werden (und daher kann der Pumpstrom Ip0 gesteuert werden).
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Steuerspannung Vp3 eine Spannung, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, obwohl dies nicht beschränkend aufzufassen ist. Beispielsweise kann die Steuerspannung Vp3 eine konstante Spannung sein, die nicht wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, wie z.B. eine Gleichspannung.
  • Die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschreibt keine Steuereinrichtung zum Steuern der vorstehend beschriebenen Zellen 21, 41, 50, 80 bis 83 und 90, usw. Der Gassensor 100 kann durch diese Steuereinrichtung gesteuert werden. Die Steuereinrichtung kann als Teil des Gassensors 100 identifiziert werden. Nachstehend ist ein Beispiel des Gassensors 100 beschrieben, der die Steuereinrichtung umfasst. Die 8 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 95 und jeder Zelle zeigt. Die Steuereinrichtung 95 umfasst die variablen Stromversorgungen 24, 46 und 52 und den Stromversorgungsschaltkreis 92, die vorstehend beschrieben worden sind, und eine Steuereinheit 96. Die Steuereinheit 96 ist als ein Mikroprozessor ausgebildet, wie z.B. eine CPU 97. Die Steuereinheit 96 umfasst die CPU 97, einen RAM 98, der Daten vorübergehend speichert, und einen ROM 99, der Verarbeitungsprogramme, verschiedene Daten, usw., speichert. Die Steuereinheit 96 erhält ein Eingangssignal der elektromotorischen Kräfte V0 bis V2 und der Spannung Vref von den Sensorzellen 80 bis 83. Die Steuereinheit 96 erhält ein Eingangssignal der Pumpströme Ip0 bis Ip2 und des Steuerstroms Ip3, der durch die Pumpzellen 21, 50, 41 und 90 fließt. Die Steuereinheit 96 gibt die Steuersignale an die variablen Stromversorgungen 24, 46 und 52 und den Stromversorgungsschaltkreis 92 zum Steuern der Spannungen Vp0 bis Vp3 aus, die von den variablen Stromversorgungen 24, 46, und 52 und dem Stromversorgungsschaltkreis 92 ausgegeben werden sollen, wodurch die Pumpzellen 21, 41, 50 und 90 gesteuert werden. Der ROM 99 speichert Zielwerte V0* und V1*, die nachstehend beschrieben sind, den Zielwert V2*, der vorstehend beschrieben ist, usw. Der ROM 99 speichert Informationen über die Steuerspannung Vp3, die eine Spannung ist, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, wie beispielsweise den Wert der maximalen Spannung Vp3max und die Werte der Ein-Zeit Tein und der Aus-Zeit Taus (oder den Wert einer Einschaltdauer, die den Anteil der Ein-Zeit Tein in dem Zyklus T darstellt). Die CPU 97 der Steuereinheit 96 greift auf die Informationen zu, die in dem ROM 99 gespeichert sind, und steuert die Pumpzellen 21, 41, 50 und 90. Vorstehend wurde beschrieben, wie die Steuereinheit 96 die Pumpzellen 21, 41, 50 und 90 steuert (d.h., wie die Pumpzellen 21, 41, 50 und 90 gesteuert werden), was auch nachstehend beschrieben ist. Beispielsweise führt die Steuereinheit 96 eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V0 einen Zielwert erreicht (als Zielwert V0* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine Zielkonzentration erreicht). Ferner führt die Steuereinheit 96 eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V1 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V1* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, welche die NOx-Messung nicht wesentlich beeinflusst). Zusätzlich stellt (regelt) die Steuereinheit 96 den Zielwert V0* der elektromotorischen Kraft V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein, dass der Pumpstrom Ip1, der aufgrund der Spannung Vp1 fließt, einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Demgemäß bleibt der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt worden ist, stets konstant. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung nicht wesentlich beeinflusst. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, mit dem die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine niedrige Sauerstoffkonzentration von mehr als 0 % wird. Die Steuereinheit 96 führt ferner eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 auf der Basis der Spannung V2 (ein Beispiel für eine Messspannung) derart durch, dass die Spannung V2 den vorstehend beschriebenen Zielwert V2* erreicht (ein Beispiel für eine Zielspannung). Die Steuereinheit 96 erhält den Pumpstrom Ip2 (ein Beispiel für einen Messpumpstrom) als erfassten Wert für den Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas (hier NOx) erzeugt worden ist, und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2. Der ROM 99 speichert die Entsprechung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration, nämlich einen Beziehungsausdruck (z.B. einen linearen Funktionsausdruck), ein Kennfeld, usw. Der Beziehungsausdruck oder das Kennfeld kann im Vorhinein experimentell bestimmt werden. Die Steuereinheit 96 erfasst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des erhaltenen Pumpstroms Ip2 und der Entsprechung, die in dem ROM 99 gespeichert ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, erfasst, wenn die Steuerspannung Vp3 eine Spannung ist, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, die Steuereinheit 96 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2, der erhalten wird, wenn die Messpumpzelle 41 derart gesteuert wird, dass die Spannung V2, die während des zweiten Zeitraums erhalten wird, den Zielwert V2* erreicht.
  • Wenn der Gassensor 100 die Steuereinrichtung 95 umfasst, entspricht die Steuereinrichtung 95 einer Messpumpzelle-Steuereinrichtung und einer Referenzgas-Regulierpumpzelle-Steuereinrichtung, die Messpumpzelle 41 und die Steuereinrichtung 95 entsprechen einer Erfassungsvorrichtung und die Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 und die Steuereinrichtung 95 entsprechen einer Referenzgas-Reguliervorrichtung. Die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 entspricht einer Messspannungserfassungseinheit.
  • Die Beschreibung der verschiedenen Modifizierungen der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist auf den Gassensor 100 anwendbar, der die Steuereinrichtung 95 umfasst. Beispielsweise kann die Steuereinheit 96 die Messpumpzelle 41 derart steuern, dass der Pumpstrom Ip2 den Zielwert Ip2* erreicht (ein Beispiel für einen Zielstrom), anstatt die Messpumpzelle 41 derart zu steuern, dass die Spannung V2 den Zielwert V2* erreicht, und die NOx-Konzentration auf der Basis der Spannung V2, die zu diesem Zeitpunkt erhalten wird, erfassen. In diesem Fall wird die Entsprechung zwischen der Spannung V2 und der NOx-Konzentration im Vorhinein in dem ROM 99 gespeichert und die Steuereinheit 96 erfasst die NOx-Konzentration auf der Basis der Entsprechung und der erhaltenen Spannung V2. In diesem Fall steuert ferner, wenn die Steuerspannung Vp3 eine Spannung ist, die wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, die Steuereinheit 96 die Messpumpzelle 41 derart, dass der Pumpstrom Ip2 den Zielwert Ip2* erreicht (ein Beispiel für einen Zielstrom), und erhält die Spannung V2 während des zweiten Zeitraums, nachdem diese Steuerung durchgeführt wird. Die Steuereinheit 96 erfasst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der erhaltenen Spannung V2.
  • [Beispiele]
  • Nachstehend sind konkrete Beispiele für die Herstellung eines Gassensors als Beispiele beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die folgenden Beispiele beschränkt ist.
  • [Beispiel 1]
  • Im Beispiel 1 wurde der Gassensor 100, der in den 1 und 2 gezeigt ist, unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Herstellungsverfahrens hergestellt. Bei der Herstellung des Sensorelements 101 wurden die keramischen Grünlagen durch Bandgießen eines Gemischs aus Zirkoniumoxidteilchen, die 4 Mol-% Yttriumoxid als Stabilisator enthielten, mit einem organischen Bindemittel, einem Dispergiermittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel gebildet. Gepresste Pulver aus Talk wurden als Grünpresskörper 145a und 145b verwendet, die in der 1 gezeigt sind. Die Lufteinführungsschicht 48 wurde aus einer Keramik aus Aluminiumoxid hergestellt. Die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 wurden so angeordnet, dass deren Schwerpunkte in einer Draufsicht übereinstimmten, wie es in der 4 gezeigt ist. Die Fläche der Referenzelektrode 42 in einer Draufsicht wurde auf 1,9 mm2 eingestellt, die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung wurde auf 0,91 mm eingestellt, die Breite der Referenzelektrode 42 in der Links-rechts-Richtung wurde auf 2,08 mm eingestellt und das Verhältnis Rr wurde auf 0,44 eingestellt. Die Fläche der Messelektrode 44 in einer Draufsicht wurde auf 0,4 mm2 eingestellt, die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung wurde auf 0,40 mm eingestellt, die Breite der Messelektrode 44 in der Links-rechts-Richtung wurde auf 1,00 mm eingestellt und das Verhältnis Rr wurde auf 0,40 eingestellt. Der Abstand zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Dickenrichtung wurde auf 300 µm eingestellt.
  • [Beispiele 2 bis 5, Beispiele 6 bis 16 und Vergleichsbeispiele 1 bis 5]
  • In den Beispielen 2 bis 5, den Beispielen 6 bis 16 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 wurden die Gassensoren 100 in der gleichen Weise wie diejenigen im Beispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in einer Draufsicht und die Abmessungen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verschiedenartig geändert wurden, wie es in der Tabelle 1 gezeigt ist. In den Beispielen 2 bis 5, den Beispielen 6 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 2 bis 5 wurden die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 so angeordnet, dass der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 und der Schwerpunkt der Messelektrode 44 in einer Draufsicht übereinstimmten. In den Beispielen 12 bis 16 wurden die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 so angeordnet, dass der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 und das vordere Ende der Messelektrode 44 in einer Draufsicht übereinstimmten. Daher überlappt in den Beispielen 12 bis 16 der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht. Der Schwerpunkt B der Referenzelektrode 42 stimmt in einer Draufsicht jedoch nicht mit dem Schwerpunkt B2 der Messelektrode 44 überein. Im Vergleichsbeispiel 1 waren, wie es in der 5 gezeigt ist, die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 so angeordnet, dass die Messelektrode 44 in die Referenzelektrode 42 einbezogen war und der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht nicht überlappte. In den Beispielen 2 bis 5, den Beispielen 6 bis 16 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5 war der Abstand zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Dickenrichtung mit demjenigen im Beispiel 1 identisch.
  • [Bewertung der thermoelektromotorischen Kraft]
  • In jedem der Gassensoren 100 der Beispiele 1 bis 5, der Beispiele 6 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurden die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft und die thermoelektromotorische Kraft im stationären Zustand gemessen. Zuerst wurden die variablen Stromversorgungen 25, 46 und 52 und der Stromversorgungsschaltkreis 92 auf einen Zustand eingestellt, bei dem keine Spannung angelegt wurde, und wurden auf einen Zustand eingestellt, bei dem sie die Leerlaufspannung (die Spannung V2) zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 messen konnten. In diesem Zustand wurde damit begonnen, die Heizeinrichtung 72 mit Strom zu versorgen, und die Spannung V2 wurde kontinuierlich gemessen. Die Zeit, die zum Bestimmen erforderlich war, dass die Spannung V2 stabilisiert ist, wird als die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft dargestellt. Der Wert, der nach einer ausreichenden Stabilisierung der Spannung V2 gemessen wird, wird als die thermoelektromotorische Kraft im stationären Zustand dargestellt. Die Bewertung is „A (gut)“, wenn die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft innerhalb von 5 Minuten liegt, „B (bestanden)“, wenn sie mehr als 5 Minuten und weniger als oder gleich 10 Minuten beträgt, und „F (versagt)“, wenn sie mehr als 10 Minuten beträgt. Die Bewertung ist „A (gut)“, wenn die thermoelektromotorische Kraft im stationären Zustand im Bereich von ±15 mV liegt, und „F (versagt)“, wenn sie außerhalb des Bereichs von ±15 mV liegt. Ferner ist die Bewertung „A(S) (hervorragend)“, wobei „S“ zu „A“ hinzugefügt ist, wenn die Bewertung der thermoelektromotorischen Kraft im stationären Zustand „A“ ist und die thermoelektromotorische Kraft im stationären Zustand in der Tabelle 1, die nachstehend angegeben ist, im Bereich von ±7,5 mV liegt.
  • [Bewertung der Restspannung]
  • In jedem der Gassensoren 100 der Beispiele 1 bis 5, der Beispiele 6 bis 16 und der Vergleichsbeispiele 1 bis 5 wurde eine Restspannung DVref [mV] gemessen, die ein Wert ist, der durch Messen, in Luft, des minimalen Werts der Restspannung Vrs (= minimale Spannung Vrefmin - Spannung Vref*) während des zweiten Zeitraums in der 3 erhalten wird. Zuerst wird die Restspannung DVref beschrieben. Die Restspannung DVref ist ein Wert, der unter Verwendung der Formel (1) abgeleitet wird. DVref = Vref1 − Vref0
    Figure DE102020001764A1_0001
    (wobei Vref1 einen minimalen Wert [mV] der Spannung Vref in einem Zustand angibt, bei dem das Sensorelement 101 in Luft angeordnet wird und die Steuerspannung Vp3 wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, und Vref0 einen Wert [mV] der Spannung Vref in einem Zustand angibt, bei dem das Sensorelement 101 in Luft angeordnet wird und die Steuerspannung Vp3 nicht angelegt wird)
  • Die 10 ist ein erläuterndes Diagramm der Restspannung DVref. Wie es aus den vorstehend beschriebenen Definitionen und der 10 ersichtlich ist, entspricht die Spannung Vref1 einem Wert, der durch Messen, in Luft, der minimalen Spannung Vrefmin während des zweiten Zeitraums in der 3 erhalten wird. Die Spannung Vref0 entspricht einem Wert, der durch Messen, in Luft, der Spannung Vref* in der 3 erhalten wird. Die Restspannung DVref entspricht einem Wert, der durch Messen, in Luft, des minimalen Werts der Restspannung Vrs (= minimale Spannung Vrefmin - Spannung Vref*) während des zweiten Zeitraums in der 3 erhalten wird. Wenn das Sensorelement 101 in der Luft angeordnet wird, gibt es keine Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen einer Fläche in der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 und einer Fläche in der Umgebung der Referenzelektrode 42. Folglich beträgt der Wert der Spannung Vref0 theoretisch 0. Tatsächlich ist jedoch aufgrund des Einflusses einer thermoelektromotorischen Kraft, die durch eine Temperaturdifferenz zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 verursacht wird, der Wert der Spannung Vref0 nicht 0. Die Restspannung DVref ist ein Wert, der durch Subtrahieren der Spannung Vref0 von der Spannung Vref1 erhalten wird, und wird folglich als Wert gemessen, der nicht durch die thermoelektromotorische Kraft zwischen der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 beeinflusst wird. Die Restspannung DVref ist proportional zu der Restspannung Vrs in der 3. Da es schwierig ist, die Spannung Vref* in der 3 genau zu messen, ist es schwierig, die Restspannung Vrs direkt zu messen. Das Messen der Restspannung DVref in Luft stellt eine indirekte Bewertung der Restspannung Vrs bereit.
  • Die Spannungen Vref0 und Vref1 wurden in der folgenden Weise gemessen. Zuerst wurde das Sensorelement 101 in Luft angeordnet und die Heizeinrichtung 72 wurde mit Strom versorgt, so dass das Sensorelement 101 auf eine vorgegebene Betriebstemperatur (z.B. 800 °C) erwärmt wurde. Die variablen Stromversorgungen 25, 46 und 52 und der Stromversorgungsschaltkreis 92 wurden auf einen Zustand eingestellt, bei dem keine Spannung angelegt wurde. Dann wurde nach der Stabilisierung der Temperatur des Sensorelements 101 die Spannung Vref gemessen und deren Wert wurde als Spannung Vref0 eingestellt. Dann begann der Stromversorgungsschaltkreis 92 mit dem Ein- und Ausschalten der Steuerspannung Vp3, so dass mit dem Hineinpumpen von Sauerstoff von der äußeren Pumpelektrode 23 zu der Referenzelektrode 42 begonnen wurde. Die durch den Stromversorgungsschaltkreis 92 der Referenzgas-Regulierpumpzelle 90 angelegte Steuerspannung Vp3 wurde als eine Pulsspannung eingestellt, wobei der Zyklus T 10 ms betrug, die Ein-Zeit Tein 2,0 ms betrug und die Aus-Zeit Taus 8,0 ms betrug. Der maximale Wert (maximale Spannung Vp3max) der Steuerspannung Vp3, die durch den Stromversorgungsschaltkreis 92 angelegt wurde, wurde auf einen Wert eingestellt, mit dem bewirkt wurde, dass ein Peakstrom Ip3max, der durch die Referenzelektrode 42 durch die Steuerspannung Vp3 floss, 100 µA erreichte. Die Spannung Vref während des zweiten Zeitraums wurde 1 Minute nach dem Beginn des Hineinpumpens von Sauerstoff gemessen und ein minimaler Wert davon wurde als die Spannung Vref1 eingestellt. Die Restspannung DVref wurde unter Verwendung der Formel (1) abgeleitet. Ein Durchschnittswert der Restspannung DVref wurde durch eine sechsmal durchgeführte Messung abgeleitet. Die Bewertung ist „A (gut)“, wenn der Durchschnittswert der Restspannung DVref weniger als oder gleich 10 mV beträgt, „B (bestanden)“, wenn sie mehr als 10 mV und weniger als oder gleich 20 mV beträgt, und „F (versagt)“, wenn sie mehr als 20 mV beträgt.
  • Die Tabelle 1 zeigt die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44, die Fläche der Referenzelektrode 42, die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung, die Breite der Referenzelektrode 42 in der Links-rechts-Richtung, das Verhältnis Rr für die Referenzelektrode 42, die Fläche der Messelektrode 44, die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung, die Breite der Messelektrode 44 in der Links-rechts-Richtung, das Verhältnis Rm für die Messelektrode 44, das Bewertungsergebnis der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft, das Bewertungsergebnis der stationären thermoelektromotorischen Kraft und das Bewertungsergebnis der Restspannung DVref in den Beispielen 1 bis 5, den Beispielen 6 bis 16 und den Vergleichsbeispielen 1 bis 5. In der Tabelle 1 ist die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 durch „A“ angegeben, wenn der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 überlappt, und durch „F“ angegeben, wenn der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 nicht überlappt. Ferner wird die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 durch „A(S)“ angegeben, wobei „S“ zu „A“ hinzugefügt ist, wenn die Positionsbeziehung zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 „A“ ist und der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 mit demjenigen der Messelektrode 44 übereinstimmt.
    Figure DE102020001764A1_0002
  • Wie es aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, ist die Bewertung der stationären thermoelektromotorischen Kraft A in den Beispielen 1 bis 5, den Beispielen 6 bis 16 und den Vergleichsbeispielen 2 bis 5, in denen der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht überlappt. Im Gegensatz dazu ist die Bewertung der stationären thermoelektromotorischen Kraft F im Vergleichsbeispiel 1, in dem der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht nicht überlappt. Diese Ergebnisse zeigen, dass durch Bewirken, dass der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 überlappt, die stationäre thermoelektromotorische Kraft vermindert werden kann. Die Bewertung der stationären thermoelektromotorischen Kraft ist A(S) in den Beispielen 1 bis 11 und den Vergleichsbeispielen 2 bis 5, in denen der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 mit demjenigen der Messelektrode 44 übereinstimmt. In den Beispielen 12 bis 16, in denen der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 nicht mit demjenigen der Messelektrode 44 übereinstimmt, ist die Bewertung der stationären thermoelektromotorischen Kraft A(S) in den Beispielen 15 und 16, in denen der Abstand zwischen jedem Schwerpunkt relativ kurz ist. Diese Ergebnisse zeigen, dass die stationäre thermoelektromotorische Kraft umso stärker vermindert wird, je kürzer der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 und demjenigen der Messelektrode 44 ist. Es sollte beachtet werden, dass in jedem der Beispiele 12 bis 16 der Abstand zwischen dem Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 und demjenigen der Messelektrode 44 in einer Draufsicht gleich der Hälfte der Länge der Messelektrode ist.
  • Darüber hinaus ist in den Beispielen 1 bis 5, den Beispielen 6 bis 16 und dem Vergleichsbeispiel 2, in denen die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung weniger als oder gleich 1,1 mm beträgt, die Bewertung der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft A oder B. Insbesondere ist in den Beispielen 1 bis 4, den Beispielen 6 bis 15 und dem Vergleichsbeispiel 2, in denen die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung weniger als 1,0 mm beträgt, die Bewertung der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft A. Im Gegensatz dazu ist in den Vergleichsbeispielen 1 und 3 bis 5, in denen die Länge der Referenzelektrode 42 in der Vorne-hinten-Richtung mehr als 1,1 mm beträgt, die Bewertung der Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft F.
  • Die vorstehend beschriebenen Ergebnisse zeigen, dass durch Bewirken, dass der Schwerpunkt der Referenzelektrode 42 die Messelektrode 44 in einer Draufsicht überlappt, und durch Einstellen der Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung auf weniger als oder gleich 1,1 mm die Stabilisierungszeit der thermoelektromotorischen Kraft zwischen der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 verkürzt werden kann und die stationäre thermoelektromotorische Kraft vermindert werden kann. Es ist auch angegeben, dass die Länge von jeder der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 in der Vorne-hinten-Richtung vorzugsweise weniger als oder gleich 1,0 mm beträgt und mehr bevorzugt weniger als oder gleich 0,95 mm beträgt.
  • Darüber hinaus wird eine Tendenz dahingehend gefunden, dass mit zunehmender Fläche der Referenzelektrode 42 die Restspannung DVref abnimmt (und daher auch die Restspannung Vrs abnimmt). Insbesondere ist die Bewertung der Restspannung F für das Vergleichsbeispiel 2, in dem die Fläche der Referenzelektrode 42 weniger als 1,0 mm2 beträgt, die Bewertung der Restspannung ist B in den Beispielen 3 und 9 bis 11, 14, in denen die Fläche der Referenzelektrode 42 gleich 1,0 mm2 ist, und die Bewertung der Restspannung ist A in den Beispielen 1, 2, 4, 5 und 6 bis 8, 12, 13, 15, 16 und den Vergleichsbeispielen 1 und 3 bis 5, in denen die Fläche der Referenzelektrode 42 mehr als 1,0 mm2 beträgt. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Fläche der Referenzelektrode 42 vorzugsweise größer als oder gleich 1,0 mm2 ist und vorzugsweise größer als 1,0 mm2 ist.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-060603 ; die am 27. März 2019 eingereicht worden ist und deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
  • [Gewerbliche Anwendbarkeit]
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder Sauerstoff, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils, anwendbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2019060603 [0117]

Claims (10)

  1. Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst, wobei der Elementkörper eine Längsrichtung aufweist; eine Messelektrode, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt; eine Referenzelektrode, die derart in dem Elementkörper angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt kommt, wobei das Referenzgas als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet wird; und eine Heizeinrichtung, die in dem Elementkörper angeordnet und zum Erwärmen der Festelektrolytschicht ausgebildet ist, wobei ein Schwerpunkt der Referenzelektrode die Messelektrode betrachtet in einer Dickenrichtung der Festelektrolytschicht überlappt, eine Länge von jeder der Referenzelektrode und der Messelektrode in einer Vorne-hinten-Richtung weniger als oder gleich 1,1 mm beträgt, wobei die Vorne-hinten-Richtung eine Richtung entlang der Längsrichtung des Elementkörpers ist, und eine Fläche der Referenzelektrode betrachtet in der Dickenrichtung größer als oder gleich 1,0 mm2 ist.
  2. Sensorelement nach Anspruch 1, bei dem ein Abstand zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode in der Dickenrichtung größer als oder gleich 50 µm und kleiner als oder gleich 500 µm ist.
  3. Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Fläche der Referenzelektrode kleiner als oder gleich 4,0 mm2 ist.
  4. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Länge der Referenzelektrode größer als oder gleich 0,5 mm ist.
  5. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Länge der Messelektrode größer als oder gleich 0,2 mm ist.
  6. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Referenzelektrode ein Verhältnis Rr von größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 aufweist, wobei das Verhältnis Rr ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Referenzelektrode in der Vorne-hinten-Richtung durch eine Länge der Referenzelektrode in einer Breitenrichtung erhalten wird, wobei die Breitenrichtung eine Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Dickenrichtung ist.
  7. Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die Messelektrode ein Verhältnis Rm von größer als oder gleich 0,2 und kleiner als oder gleich 0,8 aufweist, wobei das Verhältnis Rm ein Wert ist, der durch Dividieren der Länge der Messelektrode in der Vorne-hinten-Richtung durch eine Länge der Messelektrode in einer Breitenrichtung erhalten wird, wobei die Breitenrichtung eine Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Dickenrichtung ist.
  8. Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Sensorelement eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode umfasst, die so innerhalb oder außerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wobei in dem Elementkörper ein Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, der es ermöglicht, dass das Messgegenstandsgas darin eingeführt wird und durch diesen strömt, eine Messelektrode, die in einer Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist; eine Referenzgas-Reguliervorrichtung, die eine Steuerspannung zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zum Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode anlegt, wobei die Steuerspannung wiederholt ein- und ausgeschaltet wird; und eine Erfassungsvorrichtung, welche die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis einer Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum erfasst, wobei der erste Zeitraum ein Zeitraum ist, der als Reaktion auf das Einschalten der Steuerspannung beginnt und während dem eine Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode groß ist, wobei der zweite Zeitraum ein Zeitraum ist, der als Reaktion auf das Ausschalten der Steuerspannung beginnt und in dem die Potenzialdifferenz relativ zu der Potenzialdifferenz während des ersten Zeitraums gefallen ist.
  9. Gassensor nach Anspruch 8, bei dem das Sensorelement ferner eine äußere Messelektrode umfasst, die derart auf einer Außenseite des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wobei die Erfassungsvorrichtung Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, von der Umgebung der Messelektrode zur Umgebung der äußeren Messelektrode hinauspumpt und die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis eines Messpumpstroms, der fließt, wenn der Sauerstoff hinausgepumpt wird, erfasst, und eine Fläche der Messelektrode betrachtet in der Dickenrichtung größer als oder gleich 0,2 mm2 und kleiner als oder gleich 2,0 mm2 ist.
  10. Gassensor nach Anspruch 8 oder 9, bei dem das Sensorelement ferner eine Messspannungserfassungseinheit, die eine Messspannung erfasst, welche die Spannung zwischen der Referenzelektrode und der Messelektrode ist, eine Messpumpzelle, welche die Messelektrode und eine äußere Messelektrode umfasst, die derart auf einer Außenseite des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, und eine Referenzgas-Regulierpumpzelle umfasst, welche die Referenzelektrode und die Messgegenstandsgas-seitige Elektrode umfasst, die Erfassungsvorrichtung die Messpumpzelle und eine Messpumpzelle-Steuereinrichtung, welche die Messpumpzelle steuert, umfasst, die Messpumpzelle-Steuereinrichtung die Messpumpzelle auf der Basis der Messspannung steuert, die während des zweiten Zeitraums erhalten wird, so dass die Messspannung, die während des zweiten Zeitraums erhalten wird, eine Zielspannung wird, einen Messpumpstrom erhält, der fließt, wenn die Messpumpzelle Sauerstoff, der in der Umgebung der Messelektrode aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, von der Umgebung der Messelektrode zu der Umgebung der äußeren Messelektrode gemäß der Steuerung hinauspumpt, und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Messpumpstroms erfasst, oder die Messpumpzelle so steuert, dass der Messpumpstrom ein Zielstrom wird, und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Messspannung, die während des zweiten Zeitraums nach der Durchführung der Steuerung erhalten wird, erfasst, und die Referenzgas-Reguliervorrichtung die Referenzgas-Regulierpumpzelle und eine Referenzgas-Regulierpumpzelle-Steuereinrichtung umfasst, welche die Steuerspannung an die Referenzgas-Regulierpumpzelle anlegt.
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