DE102021001440A1

DE102021001440A1 - Sensorelement und gassensor

Info

Publication number: DE102021001440A1
Application number: DE102021001440.5A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Sekiya; Yusuke Watanabe
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210302355A1; US11940406B2

Abstract

Ein Sensorelement 101 umfasst eine erste Messpumpzelle 41a und eine zweite Messpumpzelle 41b. Die erste Messpumpzelle 41a umfasst eine erste Messelektrode 44 und eine äußere Pumpelektrode 23 und pumpt Sauerstoff, der in einem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinaus, wobei die erste Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 in einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt innerhalb eines Elementkörpers angeordnet ist, wobei die äußere Pumpelektrode 23 außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist. Die zweite Messpumpzelle 41b umfasst eine zweite Messelektrode 45 und die äußere Pumpelektrode 23 und pumpt Sauerstoff, der in einem vierten inneren Hohlraum 63 aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinaus, wobei die zweite Messelektrode 45 in dem vierten inneren Hohlraum 63 angeordnet ist. Der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist so ausgebildet, dass ein Messgegenstandsgas durch den zweiten inneren Hohlraum 40 und den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in dieser Reihenfolge hindurchtritt und den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch den dritten inneren Hohlraum 61 und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in dieser Reihenfolge hindurchtritt und den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
STAND DER TECHNIK
Im Stand der Technik sind Grenzstrom-Gassensoren bekannt, welche die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfassen. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper, eine Pumpelektrode und eine Messelektrode umfasst. Der Schichtkörper ist aus einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten ausgebildet, die Pumpelektrode bildet eine elektrochemische Pumpzelle zum Einstellen eines Sauerstoffpartialdrucks eines inneren Hohlraums des Schichtkörpers und die Messelektrode ist innerhalb des Schichtkörpers angeordnet. Zum Erfassen der NOx-Konzentration unter Verwendung dieses Gassensors wird zuerst die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas in dem inneren Hohlraum unter Verwendung der Pumpelektrode eingestellt. Als nächstes wird NOx in dem Messgegenstandsgas, das der Einstellung der Sauerstoffkonzentration unterzogen worden ist, in der Umgebung der Messelektrode reduziert. Dann wird auf der Basis eines Pumpstroms Ip2, der fließt, wenn Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erfasst.
DOKUMENTENLISTE
PATENTDOKUMENTE
[PTL 1] Japanisches Patent Nr. 5323752
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein einzelner Gassensor kann jedoch die NOx-Konzentration nur in einem begrenzten Bereich genau messen. Beispielsweise erreicht, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zu hoch ist, der Pumpstrom Ip2 nicht den Grenzstrom und die NOx-Konzentration kann momentan nicht gemessen werden. Darüber hinaus nimmt, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zu niedrig ist, da der Pumpstrom Ip2 zu niedrig ist, die Messgenauigkeit durch eine Beeinflussung durch Fehler oder dergleichen ab. Folglich gab es einen Bedarf für einen Gassensor, der die NOx-Konzentration in einem breiteren Bereich messen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und eine Hauptaufgabe davon ist die genaue Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases in einem breiten Bereich.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Zum Lösen der vorstehenden Hauptaufgabe weist die vorliegende Erfindung die folgenden Konfigurationen auf.
Ein erstes Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist

ein Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst:
einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt;
eine Einstellpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt einstellt;
eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode und eine erste äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer ersten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in der ersten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die erste äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt; und
eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode und eine zweite äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer zweiten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in der zweiten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die zweite äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt,
wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die erste Messkammer erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch die erste Messkammer und einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht.

In dem ersten Sensorelement ist der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt derart ausgebildet, dass das Messgegenstandsgas durch die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die erste Messkammer erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch die erste Messkammer und den zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht. Mit anderen Worten, der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt sind in Reihe angeordnet. Folglich ist das erste Sensorelement so ausgebildet, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode ist. Folglich kann selbst dann, wenn die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in der zweiten Messpumpzelle höher ist als in der ersten Messpumpzelle, der Strom den Grenzstrom erreichen, wenn Sauerstoff hinausgepumpt wird. D.h., die zweite Messpumpzelle ist zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases geeignet, wenn die Konzentration des spezifischen Gases höher ist als in der ersten Messpumpzelle. Im Gegensatz dazu kann die erste Messpumpzelle bewirken, dass ein vergleichsweise hoher Grenzstrom selbst dann fließt, wenn die Konzentration des spezifischen Gases niedrig ist, und ist folglich zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases geeignet, die niedriger ist als diejenige in der zweiten Messpumpzelle. Folglich kann durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle und der zweiten Messpumpzelle das erste Sensorelement die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration genau erfassen, und zwar beispielsweise verglichen mit einem Sensorelement, das nur eine dieser Messpumpzellen umfasst.
Das erste Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Referenzelektrode umfassen, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist und die ein Referenzgas kontaktiert, das als Erfassungsreferenz der Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper sein und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt kann eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper sein.
Das erste Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner, wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, erste bis n-te Messpumpzellen umfassen, einschließlich die erste Messpumpzelle und die zweite Messpumpzelle, wobei, wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode und eine p-te äußere Messelektrode umfassen kann und zum Hinauspumpen von Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, ausgebildet sein kann, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die p-te äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert, und wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch eine (p-1)-te Messkammer und einen p-ten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die p-te Messkammer erreicht. Folglich ist, wenn ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der p-ten Messelektrode ein p-ter Diffusionswiderstand R_p ist, der p-te Diffusionswiderstand R_p höher als ein (p-1)-ter Diffusionswiderstand R_p-1, d.h., R₁ < R₂ < ... R_n-1 < R_n ist erfüllt. Folglich kann das erste Sensorelement durch selektives Nutzen der ersten bis n-ten Messpumpzelle die Konzentration des spezifischen Gases verglichen mit einem Sensorelement, das nur die erste und die zweite Messpumpzelle umfasst, in einem breiteren Bereich (Erfassungsbereich der Konzentration des spezifischen Gases) genau erfassen.
In diesem Fall kann, wenn k eine ganze Zahl von 1 bis n-1 ist, ein Verhältnis R_k+1/R_k zwischen einem k-ten Diffusionswiderstand R_k und einem (k+1)-ten Diffusionswiderstand R_k+1 größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein, wobei der k-te Diffusionswiderstand R_k ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer k-ten Messelektrode ist, wobei der (k+1)-te Diffusionswiderstand R_k+1 ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (k+1)-ten Messelektrode ist. D.h., für jede der ersten bis n-ten Messpumpzelle kann das Verhältnis des Diffusionswiderstands von außerhalb zu einer Messelektrode zwischen benachbarten Messelektroden größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Es sollte beachtet werden, dass nicht nur dann, wenn n größer als oder gleich 3 ist, sondern auch wenn n 2 ist, diese Beziehung erfüllt sein kann. D.h., wenn das Sensorelement nur die erste und die zweite Messpumpzelle als Messpumpzellen umfasst, kann R₂/R₁ größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein.
Ein erster Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: das erste Sensorelement nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird. Dieser Gassensor erfasst die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle fließt, in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfassen. Dieser Gassensor erfasst auch die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas, auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine hohe Konzentration ist, genau erfassen.
In dem ersten Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann, wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit hoher Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten, und wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit niedriger Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration umschalten. Folglich können auf der Basis der Pumpströme der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und der Modus zur Messung einer hohen Konzentration in einer geeigneten Weise umgeschaltet werden.
In diesem Fall kann der Gassensor eine erste Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine erste Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der ersten Messelektrode erfasst, und eine zweite Messspannung-Erfassungsvorrichtung umfassen, die eine zweite Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der zweiten Messelektrode erfasst. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases die erste Messpumpzelle auf der Basis der ersten Messspannung in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration steuern und kann die zweite Messpumpzelle auf der Basis der zweiten Messspannung in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration steuern. Alternativ kann die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases die erste Messpumpzelle auf der Basis eines Durchschnitts der ersten Messspannung und der zweiten Messspannung in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration steuern und kann die zweite Messpumpzelle auf der Basis der zweiten Messspannung in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration steuern.
Ein zweites Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist

ein Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration als Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst:
einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt;
eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode und eine erste äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in einer ersten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die erste äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt; und
eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode und eine zweite äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in einer zweiten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt,
wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt hindurchtritt und die erste Messkammer erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch die erste Messkammer und den zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht.

Das zweite Sensorelement ist ein Sensorelement zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases. In im Wesentlichen der gleichen Weise wie für das vorstehend beschriebene erste Sensorelement ist das zweite Sensorelement so ausgebildet, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode ist. Folglich kann durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle und der zweiten Messpumpzelle auch das zweite Sensorelement die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration genau erfassen, und zwar beispielsweise verglichen mit einem Sensorelement, das nur eine dieser Messpumpzellen umfasst.
Der zweite Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: das vorstehend beschriebene zweite Sensorelement; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird. In im Wesentlichen der gleichen Weise wie derjenigen des vorstehend beschriebenen ersten Gassensors erfasst der zweite Gassensor die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfassen. Der zweite Gassensor erfasst auch die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine hohe Konzentration ist, genau erfassen.
Das zweite Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausführungsform nutzen, die im Wesentlichen mit verschiedenen Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen ersten Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist oder kann zusätzlich einen Aufbau nutzen, der im Wesentlichen mit dem vorstehend beschriebenen ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist. Der zweite Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausführungsform nutzen, die im Wesentlichen mit verschiedenen Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen ersten Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist oder kann zusätzlich einen Aufbau nutzen, der im Wesentlichen mit dem vorstehend beschriebenen ersten Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und jeder Zelle zeigt.
4 zeigt ein Beispiel von V-I-Eigenschaften einer ersten Messpumpzelle 41a.
5 zeigt ein Beispiel einer Entsprechungsbeziehung zwischen einer NOx-Konzentration und einem Pumpstrom Ip2a.
6 zeigt ein Beispiel von V-I-Eigenschaften einer zweiten Messpumpzelle 41b.
7 zeigt ein Beispiel einer Entsprechungsbeziehung zwischen einer NOx-Konzentration und einem Pumpstrom Ip2b.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine zeigt.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einer Modifizierung.
10 ist eine schematische Schnittansicht eines vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und eines fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
11 ist eine schematische Schnittansicht des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
12 ist eine schematische Schnittansicht des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 und einer zweiten Messelektrode 45 in einer Modifizierung.
13 ist eine schematische Schnittansicht des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 und der zweiten Messelektrode 45 in einer Modifizierung.
14 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung zeigt.
15 ist eine schematische Schnittansicht des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
16 ist eine schematische Schnittansicht des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
17 ist eine schematische Schnittansicht des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.

AUSFÜHRUNGSFORMEN ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts. Die 3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und jeder Zelle zeigt. Die 2 zeigt einen Teilschnitt entlang der Vorne-hinten-Richtung und der horizontalen Richtung einer Abstandshalterschicht 5 in einem Sensorelement 101. Der Gassensor 100 ist beispielsweise an einer Leitung, wie z.B. einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, angebracht. Der Gassensor 100 erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder Ammoniak, in einem Messgegenstandsgas, das ein Abgas des Verbrennungsmotors ist. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 eine NOx-Konzentration als Konzentration des spezifischen Gases. Der Gassensor 100 umfasst das Sensorelement 101 mit einer länglichen Quaderform, Zellen 21,41a, 41b, 50, 80, 81, 82a, 82b und 83, die in das Sensorelement 101 einbezogen sind, und die Steuervorrichtung 90, die variable Stromquellen 24, 46 und 52 und Umschalter 85 und 86 aufweist und welche die Gesamtheit des Gassensors 100 steuert.
Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper aus sechs Schichten, wobei jede davon aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen ausgebildet ist. Die sechs Schichten sind eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6 und diese sind in dieser Reihenfolge von der Unterseite in der 1 schichtartig angeordnet. Darüber hinaus weist der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Beispielsweise werden Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, einer vorgegebenen Verarbeitung, einem Strom- bzw. Schaltkreisstrukturdrucken und dergleichen unterzogen und diese Lagen werden schichtartig angeordnet und dann ferner gebrannt, so dass das Sensorelement 101 als Einzelform hergestellt wird.
An der Spitzenseite (linke Endseite in der 1) des Sensorelements 101 zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 sind ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionsrateneinstellabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, ein dritter innerer Hohlraum 61, ein fünfter Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und ein vierter innerer Hohlraum 63 aneinander angrenzend ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen.
Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40, der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 bilden einen Raum innerhalb des Sensorelements 101. Der Raum wird durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 gebildet, wobei dessen Oberseite durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt ist, dessen Unterseite durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, und eine Seite davon durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt ist.
Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze (mit Öffnungen mit einer Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung in der 1) bereitgestellt (vgl. auch die 2). Darüber hinaus sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 jeweils als einzelner horizontal langer Schlitz (mit einer Öffnung mit einer Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung in der 1) bereitgestellt, der als Lücke von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist (vgl. auch die 2). Es sollte beachtet werden, dass der Teil von dem Gaseinlass 10 zu dem vierten inneren Hohlraum 63 auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet wird.
Über den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt von der Spitzenseite hinaus ist ein Referenzgas-Einführungsraum 43 an einer Position zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt, wobei eine Seite davon durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist. Als Referenzgas zur Messung der NOx-Konzentration wird beispielsweise atmosphärische Luft in den Referenzgas-Einführungsraum 43 eingeführt.
Eine atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 ist aus einer porösen Keramik ausgebildet und das Referenzgas wird durch den Referenzgas-Einführungsraum 43 in die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 eingeführt. Darüber hinaus ist die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zum Anordnen zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die Referenzelektrode 42 durch die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 umgeben, die mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 verbunden ist. Darüber hinaus kann, wie es später beschrieben ist, die Referenzelektrode 42 zum Messen der Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20, des zweiten inneren Hohlraums 40, des dritten inneren Hohlraums 61 und des vierten inneren Hohlraums 63 verwendet werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist der Gaseinlass 10 ein Teil, der zu einem Außenraum offen ist, und das Messgegenstandsgas wird von dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen. Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 ist ein Teil, 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 Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das aufgrund von Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) durch den Gaseinlass 10 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 Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 kompensiert 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 Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22, eine äußere Pumpelektrode 23 und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, umfasst. Die innere Pumpelektrode 22 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 22a auf, der auf im Wesentlichen der gesamten Oberfläche der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist. Die äußere Pumpelektrode 23 ist so bereitgestellt, dass sie zu dem Außenraum in einem Bereich freiliegt, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten inneren Hohlraum 20 und die Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwände bildet, festlegen. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, und ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Ferner sind zum miteinander Verbinden des oberen Elektrodenabschnitts 22a und des unteren Elektrodenabschnitts 22b Seitenelektrodenabschnitte 22c (vgl. die 2) auf Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Die innere Pumpelektrode 22 ist so angeordnet, dass sie eine Tunnelstruktur in dem Teil aufweist, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte 22c angeordnet sind.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthält) ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass die innere Pumpelektrode 22, die das Messgegenstandsgas kontaktieren soll, aus einem Material ausgebildet ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 wird bewirkt, dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in der positiven Richtung oder in der negativen Richtung fließt, so dass die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen kann oder Sauerstoff von dem Außenraum zu dem ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen kann.
Darüber hinaus ist zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80, durch die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet.
Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 bestimmt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart gesteuert, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, in dem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 gesteuert bzw. eingestellt wird. Der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 leitet das Messgegenstandsgas zu dem zweiten inneren Hohlraum 40.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks des Messgegenstandsgases, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 unterzogen worden ist und dann durch den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 eingeführt wird, unter Verwendung einer Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und dadurch kann der Gassensor 100 die NOx-Konzentration genau messen.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51, die äußere Pumpelektrode 23 (nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann ausreichen) und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst. Die Hilfspumpelektrode 50 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 51a auf, der auf im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist derart innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet, dass sie eine Tunnelstruktur aufweist, die im Wesentlichen mit derjenigen der inneren Pumpelektrode 22 identisch ist, die innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bereitgestellt ist. D.h., der obere Elektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, und ein unterer Elektrodenabschnitt 51b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Ferner sind Seitenelektrodenabschnitte 51c (vgl. die 2), die den oberen Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51b miteinander verbinden, auf beiden Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Die Hilfspumpelektrode 51 weist eine Tunnelstruktur auf. Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpelektrode 51 wie die innere Pumpelektrode 22 aus einem Material ausgebildet ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff von dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder kann Sauerstoff von dem Außenraum zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen.
Darüber hinaus ist zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81, durch die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 ausgebildet.
Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpzelle 50 ein Pumpen bei der variablen Stromquelle 52 durchführt, deren Spannung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Darüber hinaus wird einhergehend damit ein Pumpstrom Ip1 davon zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 als Steuersignal eingespeist und der vorstehend genannte Zielwert der Spannung V0 davon wird derart gesteuert, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so gesteuert wird, dass er stets konstant ist. In einem Fall der Verwendung als NOx-Sensor wird der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 sind jeweils ein Beispiel einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 sind jeweils ein Beispiel einer Einstellpumpzelle.
Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, in dem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 gesteuert bzw. eingestellt wird. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 leitet das Messgegenstandsgas zu dem dritten inneren Hohlraum 61. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 weist eine Rolle des Beschränkens der Menge von NOx auf, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung, die mit der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, mit dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen worden ist und dann durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 eingeführt wird. Der vierte innere Hohlraum 63 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung, die mit der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, mit dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen worden ist und dann durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 eingeführt wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend durch jedweden des Betriebs einer ersten Messpumpzelle 41a in dem dritten inneren Hohlraum 61 und des Betriebs einer zweiten Messpumpzelle 41b in dem vierten inneren Hohlraum 63 durchgeführt. Wie es später detailliert beschrieben ist, ist die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, und die zweite Messpumpzelle 41b ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist ein Beispiel für einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 ist ein Beispiel für einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Der dritte innere Hohlraum 61 ist ein Beispiel für eine erste Messkammer und der vierte innere Hohlraum 63 ist ein Beispiel für eine zweite Messkammer.
Die erste Messpumpzelle 41a misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. Die erste Messpumpzelle 41a ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine erste Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt 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 zweite Messpumpzelle 41b misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63. Die zweite Messpumpzelle 41b ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine zweite Messelektrode 45, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den vierten inneren Hohlraum 63 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 sind poröse Cermetelektroden, die aus einem Material ausgebildet sind, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas erhöht ist, so dass es höher ist als dasjenige der inneren Pumpelektrode 22. Die erste Messelektrode 44 dient auch als NOxreduzierender Katalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt. Die zweite Messelektrode 45 dient auch als NOxreduzierender Katalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 vorliegt.
Die erste Messpumpzelle 41a kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die erste Messelektrode 44 erzeugt worden ist, hinauspumpen, und kann die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2a erfassen. Die zweite Messpumpzelle 41b kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die zweite Messelektrode 45 erzeugt worden ist, hinauspumpen, und kann die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2b erfassen.
Darüber hinaus ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die erste Messelektrode 44 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a, durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die erste Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Entsprechend ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die zweite Messelektrode 45 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b, durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die zweite Messelektrode 45 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Die variable Stromquelle 46 wird auf der Basis von einem von einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2a), die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, und einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2b), die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird, gesteuert.
Nachstehend wird ein Fall beschrieben, bei dem die erste Messpumpzelle 41a verwendet wird. Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet worden ist, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert bzw. eingestellt wird, tritt durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 hindurch und erreicht die erste Messelektrode 44 innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. In dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 wird Stickstoffoxid reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2 NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die erste Messpumpzelle 41a unterzogen. Bei diesem Vorgang wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 so gesteuert, dass die Spannung V2a, die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, konstant wird (Zielwert). Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a berechnet.
Ein Fall, bei dem die zweite Messpumpzelle 41b verwendet wird, ist im Wesentlichen mit dem Vorstehenden identisch. D.h., zuerst tritt das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet worden ist, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert bzw. eingestellt wird, durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 hindurch und erreicht die zweite Messelektrode 45 innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63. In dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 wird Stickstoffoxid reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2 NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die zweite Messpumpzelle 41b unterzogen. Bei diesem Vorgang wird die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 so gesteuert, dass die Spannung V2b, die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird, konstant wird (Zielwert). Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2b in der zweiten Messpumpzelle 41b berechnet.
Darüber hinaus ist eine elektrochemische Sensorzelle 83 durch die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref), die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors erfasst werden.
In dem Gassensor 100 mit einem solchen Aufbau werden die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 aktiviert, so dass die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b mit dem Messgegenstandsgas versorgt werden, in dem der Sauerstoffpartialdruck stets bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst). Demgemäß kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2a oder des Pumpstroms Ip2b, dessen Fließen durch die erste Messpumpzelle 41a oder die zweite Messpumpzelle 41b bewirkt wird, die Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx etwa proportional zu der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erzeugt wird, hinauspumpt.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner eine Heizeinrichtungseinheit 70, die eine Rolle bei der Einstellung von Temperaturen zum Erwärmen des Sensorelements 101 und dem Warmhalten des Sensorelements 101 zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten spielt. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die in Kontakt mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ausgebildet ist. Durch Verbinden der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromquelle kann der Heizeinrichtungseinheit 70 von außerhalb Strom zugeführt werden.
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 Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 über das Durchgangsloch 73 verbunden. Die Heizeinrichtung 72 erzeugt Wärme als Reaktion auf Strom, der dieser von außerhalb durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 zugeführt wird, so dass der Festelektrolyt, der das Sensorelement 101 bildet, erwärmt wird und der Festelektrolyt warmgehalten wird.
Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann die Temperatur des gesamten Sensorelements 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist so ausgebildet, dass eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 bereitgestellt werden.
Das Druckablassloch 75 ist ein Teil, der so bereitgestellt ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 in Verbindung steht. Das Druckablassloch 75 ist so ausgebildet, dass es eine Zunahme des Innendrucks vermindert, der durch einen Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 verursacht wird.
Die Steuervorrichtung 90 umfasst die vorstehend beschriebenen variablen Stromquellen 24, 46 und 52, die Umschalter 85 und 86 zum Umschalten, ob eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b gesteuert wird, und eine Steuereinheit 91. Die Steuereinheit 91 ist ein Mikroprozessor, der eine CPU 92, einen RAM, der nicht gezeigt ist, eine Speichereinheit 94, usw., umfasst. Die Speichereinheit 94 ist beispielsweise ein nicht-flüchtiger Speicher, wie z.B. ein ROM, und ist eine Vorrichtung, die verschiedene Arten von Daten speichert. Die Steuereinheit 91 erhält die Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 erfasst wird, die Spannung V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird, die Spannung Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, den Pumpstrom Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, und den Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird. Die Steuereinheit 91 gibt ein Steuersignal an die variablen Stromquellen 24 und 52 zum Steuern der Spannungen Vp0 und Vp1 aus, die von den variablen Stromquellen 24 und 52 ausgegeben werden, wodurch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 gesteuert werden. Durch Umschalten einer elektrischen Schaltkreisverbindung unter Verwendung des Umschalters 85 erhält die Steuereinheit 91 selektiv eine der Spannung V2a, die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, und der Spannung V2b, die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird. Darüber hinaus schaltet durch Umschalten einer elektrischen Schaltkreisverbindung unter Verwendung des Umschalters 86 die Steuereinheit 91 selektiv, ob das Steuerziel eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b ist. Insbesondere schaltet durch Umschalten des Umschalters 86 die Steuereinheit 91, ob die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 an eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b angelegt werden soll und schaltet auch zum Erhalten von einem des Pumpstroms Ip2a, der in der ersten Messpumpzelle 41a fließt, und des Pumpstroms Ip2b, der in der zweiten Messpumpzelle 41b fließt. Die Speichereinheit 94 speichert auch Zielwerte V0*, V1* und V2*, die später beschrieben werden. Durch Bezugnahme auf diese Zielwerte V0*, V1* und V2* steuert die CPU 92 der Steuereinheit 91 die Zellen 21, 41a, 41b und 50. Die CPU 92 steuert auch die Heizeinrichtung 72.
Die Steuereinheit 91 führt eine Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart durch, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht (als Zielwert V0* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht eine Zielkonzentration).
Die Steuereinheit 91 führt auch eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromquelle 52 derart durch, dass die Spannung V1 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V1* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 erreicht eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration, welche die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst). Zusätzlich stellt die Steuereinheit 91 den Zielwert V0*der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (regelt diesen derart), dass der Pumpstrom Ip1, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp1 fließt, einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Demgemäß bleibt der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, 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 im Wesentlichen nicht beeinflusst. Der Zielwert V0*wird auf einen Wert eingestellt, derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine niedrige Sauerstoffkonzentration von höher als 0 % erreicht.
Die Steuereinheit 91 weist einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration auf. Der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ist ein Messmodus, der für das Messgegenstandsgas mit der NOx-Konzentration geeignet ist, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, und der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ist ein Messmodus, der für das Messgegenstandsgas mit der NOx-Konzentration geeignet ist, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist.
In dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration steuert die Steuereinheit 91 die erste Messpumpzelle 41a derart, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht und erfasst auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2a, der zu diesem Zeitpunkt fließt, die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas. Insbesondere führt die Steuereinheit 91 zuerst eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 derart durch, dass die Spannung V2a einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 erreicht eine vorgegebene niedrige Konzentration). Der Zielwert V2* wird im Vorhinein als Wert bestimmt, durch den der Pumpstrom Ip2a, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp2 fließt, die einer Regelung unterzogen wird, den Grenzstrom erreicht. Dadurch, dass das Fließen des Pumpstroms Ip2a bewirkt wird, wird Sauerstoff derart aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt, dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Steuereinheit 91 den Pumpstrom Ip2a als Erfassungswert gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird und der von einem spezifischen Gas (hier NOx) abgeleitet ist, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2a die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform speichert die Speichereinheit 94 im Vorhinein eine erste Entsprechungsbeziehung 95, die eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2a und der NOx-Konzentration darstellt. Auf der Basis des erfassten Pumpstroms Ip2a und der ersten Entsprechungsbeziehung 95 berechnet die Steuereinheit 91 die NOx-Konzentration. Bei der ersten Entsprechungsbeziehung 95 handelt es sich um Daten, wie z.B. eine Beziehungsformel (z.B. eine lineare Funktionsformel) oder ein Kennfeld.
In dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration steuert die Steuereinheit 91 die zweite Messpumpzelle 41b derart, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht und erfasst auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2b, der zu diesem Zeitpunkt fließt, die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas. In dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration führt die Steuereinheit 91 im Wesentlichen die gleiche Steuerung durch wie in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration, mit der Ausnahme, dass die zweite Messpumpzelle 41b auf der Basis der Spannung V2b gesteuert wird. Insbesondere führt die Steuereinheit 91 zuerst eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 derart durch, dass die Spannung V2b einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 erreicht eine vorgegebene niedrige Konzentration). Der Zielwert V2* wird im Vorhinein als Wert bestimmt, durch den der Pumpstrom Ip2b, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp2 fließt, die einer Regelung unterzogen wird, den Grenzstrom erreicht. Der Zielwert V2* in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration ist gleich dem Zielwert V2* in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration. Der Zielwert V2* kann jedoch verschiedene Werte zwischen dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration und dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration aufweisen. Dadurch, dass das Fließen des Pumpstroms Ip2b bewirkt wird, wird Sauerstoff derart aus dem vierten inneren Hohlraum 63 hinausgepumpt, dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des vierten inneren Hohlraum 63 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Steuereinheit 91 den Pumpstrom Ip2b als Erfassungswert gemäß dem Sauerstoff, der in dem vierten inneren Hohlraum 63 erzeugt wird und der von einem spezifischen Gas (hier NOx) abgeleitet ist, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2b die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform speichert die Speichereinheit 94 im Vorhinein eine zweite Entsprechungsbeziehung 96, die eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2b und der NOx-Konzentration darstellt. Auf der Basis des erfassten Pumpstroms Ip2b und der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 berechnet die Steuereinheit 91 die NOx-Konzentration. Bei der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 handelt es sich um Daten, wie z.B. eine Beziehungsformel (z.B. eine lineare Funktionsformel) oder ein Kennfeld.
In der vorstehenden Weise wird Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas in dem Messgegenstandsgas abgeleitet ist, das in das Sensorelement 101 eingeführt worden ist, hinausgepumpt, und auf der Basis des Grenzstroms (hier der Pumpströme Ip2a und Ip2b), der fließt, wenn der Sauerstoff hinausgepumpt wird, wird die Konzentration des spezifischen Gases erfasst. Dieses Verfahren wird als Grenzstromverfahren bezeichnet.
Nachstehend werden Betriebseigenschaften der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b beschrieben. Die 4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Spannung Vp2 und dem Pumpstrom Ip2a (V-I-Eigenschaften) in der ersten Messpumpzelle 41a, und die 5 zeigt ein Beispiel der Entsprechungsbeziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a. Die 6 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Spannung Vp2 und dem Pumpstrom Ip2b (V-I-Eigenschaften) in der zweiten Messpumpzelle 41b, und die 7 zeigt ein Beispiel der Entsprechungsbeziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b. Die 5 zeigt eine Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in einem Fall, bei dem die Spannung Vp2 ein Wert A ist (vgl. die 4), und die 7 zeigt eine Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b in einem Fall, bei dem die Spannung Vp2 ein Wert B ist (vgl. die 6).
Wie es in der 4 gezeigt ist, nimmt in der ersten Messpumpzelle 41a in einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 niedrig ist, der Pumpstrom Ip2a gemäß einer Zunahme der Spannung Vp2 zu. In einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 in einem gewissen Maß hoch ist, ist durch den Einfluss des Diffusionswiderstands des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts selbst dann, wenn sich die Spannung Vp2 ändert, die Zunahme des Pumpstroms Ip2a mäßig, und der Pumpstrom Ip2a ist im Wesentlichen ein konstanter Wert. D.h., der Pumpstrom Ip2a erreicht den Grenzstrom. Dieser Bereich wird als Plateaubereich bezeichnet. In einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 höher ist als in dem Plateaubereich, beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas Feuchtigkeit enthält, wird die Feuchtigkeit zersetzt, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Folglich nimmt der Pumpstrom Ip2a gemäß der Zunahme der Spannung Vp2 erneut zu. Darüber hinaus ist der Wert des Grenzstroms umso größer, je höher die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ist. Beispielsweise beträgt der Wert des Grenzstroms (des Pumpstroms Ip2a) in der 4 etwa 1 µA, wenn die NOx-Konzentration 500 ppm beträgt, und beträgt etwa 5 µA, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm beträgt. Folglich gibt es beispielsweise, wenn auf der Basis des Zielwerts V2* die Spannung Vp2 so eingestellt wird, dass sie den Wert A, wie es in der 4 gezeigt ist, in einem Bereich aufweist, in dem die NOx-Konzentration kleiner als oder gleich 2500 ppm ist, wie es in der 5 gezeigt ist, eine lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a. Durch die Verwendung dieser linearen Beziehung kann die NOx-Konzentration aus dem Wert des Pumpstroms Ip2a berechnet werden. Die vorstehend beschriebene erste Entsprechungsbeziehung 95 wird im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen als Daten bestimmt, die eine solche lineare Beziehung darstellen.
Wie es in der 4 gezeigt ist, wird der Plateaubereich mit zunehmender NOx-Konzentration jedoch schmaler, und wenn die NOx-Konzentration zu hoch ist, gibt es nahezu keinen Plateaubereich. D.h., der Pumpstrom Ip2a erreicht den Grenzstrom nicht. Beispielsweise wenn die NOx-Konzentration in dem Beispiel in der 4 höher als oder gleich 3000 ppm ist, erreicht der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom nicht. Folglich liegt, wie es in der 5 gezeigt ist, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm übersteigt, zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a keine lineare Beziehung mehr vor. Folglich wird, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm übersteigt, die NOx-Konzentration unter Verwendung der ersten Messpumpzelle 41a nicht genau gemessen. Der Bereich der NOx-Konzentration, in dem der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, ändert sich abhängig von einem ersten Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 ist. Je höher der erste Diffusionswiderstand R₁ ist, desto geringer wird die Menge von NOx, das pro Zeiteinheit in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt, selbst wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Folglich pumpt die erste Messpumpzelle 41a Sauerstoff einfach hinaus, so dass von NOx abgeleiteter Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Folglich wird, wenn der erste Diffusionswiderstand R₁ höher ist, die Obergrenze der NOx-Konzentration erhöht, durch die der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht. In dem Beispiel in der 4 beträgt die Obergrenze der NOx-Konzentration, durch die der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, 2500 ppm. In dieser Ausführungsform wird der Wert des ersten Diffusionswiderstands R₁ vorwiegend durch einen Summenwiderstand von Diffusionswiderständen des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13, des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 und des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 bestimmt, die nacheinander in einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 vorliegen.
Im Gegensatz dazu ist bezüglich der zweiten Messpumpzelle 41b ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 ein zweiter Diffusionswiderstand R₂. In dieser Ausführungsform ist der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet, dass das Messgegenstandsgas, das den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht hat, in dem die erste Messelektrode 44 angeordnet ist, durch den dritten inneren Hohlraum 61 und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in dieser Reihenfolge hindurchtritt und den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht, in dem die zweite Messelektrode 45 angeordnet ist. Folglich ist, da der Diffusionswiderstand des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, der in Reihe mit dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verbunden ist, vorliegt, der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher als der erste Diffusionswiderstand R₁. Folglich weist die zweite Messpumpzelle 41b eine höhere Obergrenze der NOx-Konzentration, durch die der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht, als die erste Messpumpzelle 41a auf. Mit anderen Worten, selbst wenn die Konzentration von NOx in dem Messgegenstandsgas in der zweiten Messpumpzelle 41b höher ist als in der ersten Messpumpzelle 41a, kann der Pumpstrom den Grenzstrom erreichen, wenn Sauerstoff hinausgepumpt wird. In dieser Ausführungsform erreicht, wie es in 6 und 7 gezeigt ist, in der zweiten Messpumpzelle 41b in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration niedriger als oder gleich 10000 ppm ist, der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom und es liegt eine lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b vor. Folglich kann selbst in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration höher als 2500 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm ist und durch die erste Messpumpzelle 41a momentan nicht gemessen werden kann, die zweite Messpumpzelle 41b die NOx-Konzentration genau messen und ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Die vorstehend beschriebene zweite Entsprechungsbeziehung 96 wird im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen als Daten bestimmt, die eine solche lineare Beziehung darstellen, wie sie in der 7 gezeigt ist.
Andererseits neigt der Wert des Grenzstroms zu einer Abnahme, wenn die NOx-Konzentration niedriger ist. Folglich ist es dann, wenn der Wert des Grenzstroms zu gering ist, wahrscheinlich, dass die Messgenauigkeit dadurch abnimmt, dass sie durch Fehler oder dergleichen beeinflusst wird. Folglich erreicht beispielsweise, wie es durch die 7 gezeigt ist, in der zweiten Messpumpzelle 41b, wenn die NOx-Konzentration weniger als 2000 ppm beträgt, der Pumpstrom Ip2b einen kleinen Wert, der weniger als 1 µA beträgt, und es ist wahrscheinlich, dass die Messgenauigkeit abnimmt. Im Gegensatz dazu kann die erste Messpumpzelle 41a das Fließen eines vergleichsweise hohen Grenzstroms selbst dann verursachen, wenn die NOx-Konzentration niedriger ist als in der zweiten Messpumpzelle 41b. Beispielsweise kann, wie es in der 5 angegeben ist, in der ersten Messpumpzelle 41a, wenn die NOx-Konzentration größer als oder gleich 500 ppm ist, bewirkt werden, dass ein Pumpstrom Ip2a von höher als oder gleich 1 µA fließt. Folglich kann selbst in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als 2000 ppm ist und durch die zweite Messpumpzelle 41b momentan nicht gemessen werden kann, die erste Messpumpzelle 41a die NOx-Konzentration genau messen und ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration niedrig ist.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, die höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als oder gleich 2500 ppm ist, geeignet ist, wohingegen die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist, die höher als oder gleich 2000 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm ist, geeignet ist. Folglich kann das Sensorelement 101 gemäß dieser Ausführungsform durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b die NOx-Konzentration in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration (hier höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm) genau erfassen, und zwar verglichen beispielsweise mit einem Sensorelement, das nur eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b umfasst.
Es sollte beachtet werden, dass die Werte der NOx-Konzentration und des Pumpstroms, die in den 4 bis 7 gezeigt sind, Beispiele sind und durch Einstellen des ersten Diffusionswiderstands R₁ und des zweiten Diffusionswiderstands R₂ das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration in jedwedem Bereich erfassen kann. Beispielsweise können durch Erhöhen des Diffusionswiderstands von mindestens einem des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13, des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 und des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 sowohl der erste Diffusionswiderstand R₁ als auch der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. Durch Erhöhen des Diffusionswiderstands des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kann nur der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. Obwohl jeder des ersten bis fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, 13, 30, 60 und 62 gemäß dieser Ausführungsform ein Schlitz ist, kann beispielsweise durch Einstellen des Flächeninhalts eines Querschnitts eines Strömungswegs des Schlitzes oder der Länge eines Strömungswegs des Schlitzes der Diffusionswiderstand eingestellt werden. Es ist bevorzugt, den Diffusionswiderstand des ersten bis fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, 13, 30, 60 und 62 derart einzustellen, dass der Bereich der NOx-Konzentration (hier niedriger als oder gleich 2500 ppm), in dem die lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a vorliegt, mindestens teilweise mit dem Bereich der NOx-Konzentration (hier höher als oder gleich 2000 ppm) überlappt, der einem Bereich, in dem der Wert des Grenzstroms nicht zu klein ist (z.B. dem Bereich von höher als oder gleich 1 µA), in der zweiten Messpumpzelle 41b entspricht. Das Verhältnis R₂/R₁ kann größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Das Verhältnis R₂/R₁ kann aus dem Verhältnis des Grenzstroms zwischen der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b berechnet werden. Insbesondere wird zuerst unter Verwendung eines Modellgases mit einer bekannten NOx-Konzentration der Wert des Pumpstroms Ip2a (d.h., des Pumpstroms Ip2a in dem vorstehend beschriebenen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration), der fließt, wenn die erste Messpumpzelle 41a so gesteuert wird, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, gemessen. Entsprechend wird unter Verwendung des gleichen Modellgases der Wert des Pumpstroms Ip2b (d.h., des Pumpstroms Ip2b in dem vorstehend beschriebenen Modus zur Messung einer hohen Konzentration), der fließt, wenn die zweite Messpumpzelle 41b so gesteuert wird, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht, gemessen. Darüber hinaus ist, da der Grenzstrom proportional zum Kehrwert des Diffusionswiderstands ist, das Verhältnis Ip2a/Ip2b des Grenzstroms gleich dem Verhältnis R₂/R₁ des Diffusionswiderstands. Folglich ist der Wert des Verhältnisses Ip2a/Ip2b auf der Basis der gemessenen Werte der Wert des Verhältnisses R₂/R₁ und dadurch kann das Verhältnis R₂/R₁ berechnet werden.
Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben, in dem der in der vorstehenden Weise aufgebaute Gassensor 100 verwendet wird. Die 8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine zeigt. Diese Routine ist in der Speichereinheit 94 gespeichert und startet beispielsweise nach dem Einschalten des Stroms der Steuervorrichtung 90.
Als Reaktion auf den Start der Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine führt die CPU 92 der Steuereinheit 91 zuerst der Heizeinrichtung 72 Strom zu und beginnt mit der Steuerung der Heizeinrichtung 72 (Schritt S100) und hält das Sensorelement 101 bei einer Temperatur, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist (z.B. 800 °C). Anschließend beginnt die CPU 92 mit der Steuerung der Hauptpumpzelle 21 (Schritt S110) und beginnt auch mit der Steuerung der Hilfspumpzelle 50 (Schritt S120). D.h., die CPU 92 steuert die Hauptpumpzelle 21 durch Durchführen der vorstehend beschriebenen Regelung auf der Basis des Zielwerts Ip1* und des Zielwerts V0*und steuert die Hilfspumpzelle 50 durch Durchführen der vorstehend beschriebenen Regelung auf der Basis des Zielwerts V1*. Jedweder der Schritte S110 und S120 kann früher durchgeführt werden oder die Schritte S110 und S120 können gleichzeitig durchgeführt werden. Dabei tritt das Messgegenstandsgas von dem Gaseinlass 10 durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12, den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, den ersten inneren Hohlraum 20, den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in dieser Reihenfolge hindurch und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61. Dann wird das Messgegenstandsgas einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61 und den vierten inneren Hohlraum 63 in einer stromabwärtigen Seite davon.
Anschließend schaltet die CPU 92 zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um (Schritt S130). Insbesondere schaltet die CPU 92 den Umschalter 85 so um, dass die Spannung V2a von der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erhalten werden kann, und schaltet den Umschalter 86 zum Einstellen der ersten Messpumpzelle 41a als Steuerziel. Folglich führt die CPU 92 die vorstehend beschriebene Regelung auf der Basis des Zielwerts V2* zum Steuern der ersten Messpumpzelle 41a derart durch, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht. In diesem Modus zur Messung des Zustands einer niedrigen Konzentration bewirkt die zweite Messpumpzelle 41b nicht, dass der Pumpstrom Ip2b fließt. D.h., die zweite Messpumpzelle 41b pumpt nicht Sauerstoff in den vierten inneren Hohlraum 63 hinaus. Anschließend leitet die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a und der ersten Entsprechungsbeziehung 95 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ab (Schritt S140). In der vorstehenden Weise wird die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration gemessen.
Nach dem Schritt S140 bestimmt die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a, ob die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit einer hohen Konzentration vorliegt (Schritt S150). Insbesondere bestimmt die CPU 92, ob der Pumpstrom Ip2a eine vorgegebene Schwelle Ipref1 überschreitet. Die Schwelle Ipref1 wird im Vorhinein als der obere Grenzwert eines Bereichs bestimmt, in dem der Pumpstrom Ip2a niedrig ist und die NOx-Konzentration als niedrige Konzentration betrachtet werden kann, d.h., eines Bereichs, der als zur Messung in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration geeignet erachtet werden kann. Die Schwelle Ipref1 wird beispielsweise auf die Obergrenze (hier 5 µA) des Bereichs, in dem die lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a vorliegt, oder einen Wert, der etwas niedriger ist als die Obergrenze durch Bereitstellen eines Spielraums eingestellt. In dieser Ausführungsform wird die Schwelle Ipref1 auf den Wert 4,8 µA eingestellt (ein Wert, welcher der NOx-Konzentration von 2400 ppm entspricht). Wenn der Pumpstrom Ip2a im Schritt S150 niedriger als die oder gleich der Schwelle Ipref1 ist, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S140 durch. D.h., auf der Basis des Pumpstroms Ip2a misst die CPU 92, wenn die NOx-Konzentration nicht in dem Bereich mit hoher Konzentration liegt, d.h., wenn die NOx-Konzentration als niedrige Konzentration erachtet werden kann, kontinuierlich die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration.
Wenn andererseits der Pumpstrom Ip2a im Schritt S150 die Schwelle Ipref1 überschreitet, schaltet die CPU 92 zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um (Schritt S230). Insbesondere schaltet die CPU 92 den Umschalter 85 so um, dass die Spannung V2b von der zweiten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erhalten werden kann, und schaltet den Umschalter 86 so, dass die zweite Messpumpzelle 41b als Steuerziel eingestellt wird. Folglich führt die CPU 92 die vorstehend beschriebene Regelung auf der Basis des Zielwerts V2* zum Steuern der zweiten Messpumpzelle 41b derart durch, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht. In diesem Modus zur Messung des Zustands einer hohen Konzentration bewirkt die erste Messpumpzelle 41a nicht das Fließen des Pumpstroms Ip2a. D.h., die erste Messpumpzelle 41a pumpt nicht Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61 hinaus. Anschließend leitet die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b und der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ab (Schritt S240). In der vorstehenden Weise wird die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration gemessen.
Nach dem Schritt S240 bestimmt die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b, ob die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich einer niedrigen Konzentration liegt (Schritt S250). Insbesondere bestimmt die CPU 92, ob der Pumpstrom Ip2b kleiner ist als eine vorgegebene Schwelle Ipref2. Die Schwelle Ipref2 wird im Vorhinein als der untere Grenzwert eines Bereichs bestimmt, in dem der Pumpstrom Ip2b hoch ist und die NOx-Konzentration als hohe Konzentration erachtet werden kann, d.h., ein Bereich, der als zur Messung in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration geeignet erachtet werden kann. Die Schwelle Ipref2 wird beispielsweise auf die Untergrenze (hier 1 µA) des Bereichs des Pumpstroms Ip2b, in dem eine Verminderung der Messgenauigkeit, die durch den Einfluss von Fehlern oder dergleichen in der zweiten Messpumpzelle 41b verursacht wird, kein Problem ist, oder einen Wert, der etwas höher ist als die Untergrenze durch Bereitstellen eines Spielraums eingestellt. Darüber hinaus wird zum Verhindern eines häufigen Umschaltens zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration die Schwelle Ipref2 vorzugsweise so eingestellt, dass die NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref2 entspricht, einen kleineren Wert aufweist als die NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref1entspricht. D.h., es ist bevorzugt, zwischen der NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref1entspricht, und der NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref2 entspricht, eine Hysterese bereitzustellen. In dieser Ausführungsform wird, wenn dies berücksichtigt wird, die Schwelle Ipref2 auf den Wert 1,05 µA eingestellt (einen Wert, welcher der NOx-Konzentration von 2100 ppm entspricht). Wenn der Pumpstrom Ip2b höher als die oder gleich der Schwelle Ipref2 im Schritt S250 ist, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S240 durch. D.h., auf der Basis des Pumpstroms Ip2b misst die CPU 92, wenn die NOx-Konzentration nicht in dem Bereich mit niedriger Konzentration liegt, d.h., wenn die NOx-Konzentration als eine hohe Konzentration erachtet werden kann, kontinuierlich die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration. Wenn andererseits der Pumpstrom Ip2b im Schritt S250 niedriger ist als die Schwelle Ipref2, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S130 durch. D.h., die CPU 92 schaltet zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um und misst die NOx-Konzentration.
In der vorstehenden Weise bestimmt die CPU 92 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b, ob der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration oder der Modus zur Messung einer hohen Konzentration zum Erfassen der NOx-Konzentration eingesetzt werden soll. Folglich kann in einer geeigneten Weise zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration und zum genauen Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von der niedrigeren Konzentration zu der hohen Konzentration (z.B. größer als oder gleich 500 ppm und kleiner als oder gleich 10000 ppm in dieser Ausführungsform) umgeschaltet werden.
Es sollte beachtet werden, dass der Wert des Pumpstroms Ip2a unmittelbar nach dem Umschalten von dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration im Schritt S130 instabil sein kann. Folglich kann die CPU 92 den Schritt S140 durchführen, wenn eine vorgegebene Wartezeit vergangen ist. Das Gleiche gilt für die Zeit unmittelbar nach dem Schritt S230.
Da das Messgegenstandsgas durch den dritten inneren Hohlraum 61 hindurchtritt, bevor es den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht, kann in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration NOx reduziert werden, so dass Sauerstoff nicht nur in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, sondern auch in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 erzeugt wird. Da jedoch die erste Messpumpzelle 41a Sauerstoff in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration nicht hinauspumpt, pumpt die zweite Messpumpzelle 41b Sauerstoff hinaus, der in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 und in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt worden ist. Folglich ist selbst dann, wenn Sauerstoff in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 erzeugt worden ist, vorliegt, als Ergebnis die Menge von Sauerstoff, die aus NOx erzeugt worden ist, proportional zu dem Pumpstrom Ip2b. Folglich kann in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration, die Steuereinheit 91 die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2b problemlos berechnen.
Es sollte beachtet werden, dass in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration, bevor das Messgegenstandsgas den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht, NOx reduziert wird, so dass Sauerstoff in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, und die erste Messpumpzelle 41a den Sauerstoff hinauspumpt. Folglich erreicht grundsätzlich NOx in dem Messgegenstandsgas die zweite Messelektrode 45 nicht. Selbst wenn NOx die zweite Messelektrode 45 erreicht und in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 reduziert wird, so dass Sauerstoff erzeugt wird, pumpt die zweite Messpumpzelle 41b Sauerstoff in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration nicht. Da darüber hinaus der dritte innere Hohlraum 61 durch den Betrieb der ersten Messpumpzelle 41a eine niedrigere Sauerstoffkonzentration aufweist als der vierte innere Hohlraum 63, diffundiert der Sauerstoff, der in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt wird, so dass er sich zu dem dritten inneren Hohlraum 61 bewegt. Folglich pumpt selbst dann, wenn Sauerstoff vorliegt, der in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt worden ist, die erste Messpumpzelle 41a den Sauerstoff hinaus, und als Ergebnis ist die Menge von Sauerstoff, die aus NOx erzeugt wird, proportional zu dem Pumpstrom Ip2a. Folglich kann die Steuereinheit 91 in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2a problemlos berechnen. Es sollte beachtet werden, dass der Umschalter 85 in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration weggelassen werden kann und die Steuereinheit 91 sowohl die Spannung V2a als auch die Spannung V2b erfassen kann und die erste Messpumpzelle 41a derart steuern kann, dass der Durchschnitt der Spannung V2a und der Spannung V2b ein Zielwert wird. Auf diese Weise kann die Steuervorrichtung 90 selbst dann, wenn Sauerstoff vorliegt, der nicht nur in der Umgebung der ersten Messelektrode 44, sondern auch in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt worden ist, die erste Messpumpzelle 41a unter Berücksichtigung der Menge des Sauerstoffs steuern. Auch in diesem Fall kann die Steuereinheit 91 in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2a problemlos berechnen.
Nachstehend werden Entsprechungsbeziehungen zwischen Strukturelementen in dieser Ausführungsform und Strukturelementen in der vorliegenden Erfindung klar beschrieben. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 in dieser Ausführungsform entsprechen einem Elementkörper in der vorliegenden Erfindung; der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer; die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen der Einstellpumpzelle; der dritte innere Hohlraum 61 entspricht der ersten Messkammer; die erste Messelektrode 44 entspricht einer ersten Messelektrode; die erste Messpumpzelle 41a entspricht einer ersten Messpumpzelle; der vierte innere Hohlraum 63 entspricht der zweiten Messkammer; die zweite Messelektrode 45 entspricht einer zweiten Messelektrode; die zweite Messpumpzelle 41b entspricht einer zweiten Messpumpzelle; die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer ersten äußeren Messelektrode und einer zweiten äußeren Messelektrode; der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 entspricht dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entspricht die Steuervorrichtung 90 einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a entspricht einer ersten Messspannung-Erfassungsvorrichtung und die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b entspricht einer zweiten Messspannung-Erfassungsvorrichtung.
In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, umfasst das Sensorelement 101 die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b. Darüber hinaus ist das Sensorelement 101 so ausgebildet, dass der zweite Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 ist, höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 ist, da der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in Reihe angeordnet sind. Folglich ist die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration niedrig ist, und die zweite Messpumpzelle 41b ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b kann das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration in einem breiten Bereich genau erfassen. Insbesondere in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration erfasst die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2a, der in der ersten Messpumpzelle 41a fließt, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas, wodurch die NOx-Konzentration, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfasst wird. Darüber hinaus erfasst in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2b, der in der zweiten Messpumpzelle 41b fließt, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas, wodurch die NOx-Konzentration, die eine hohe Konzentration ist, genau erfasst wird.
Ferner schaltet die Steuervorrichtung 90 in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration, wenn die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a bestimmt, dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem vorgegebenen Bereich einer hohen Konzentration liegt, zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um; in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration schaltet die Steuervorrichtung 90, wenn die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b bestimmt, dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem vorgegebenen Bereich einer niedrigen Konzentration liegt, zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um. Folglich kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b in einer geeigneten Weise zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung selbstverständlich in verschiedenen Modi implementiert werden.
Beispielsweise sind in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, der dritte innere Hohlraum 61, der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der vierte innere Hohlraum 63 in dieser Reihenfolge in der Vorne-hinten-Richtung angeordnet. Die Reihenfolge ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in Reihe angeordnet sind. Beispielsweise können, wie es in der 9 gezeigt ist, der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der vierte innere Hohlraum 63 in dieser Reihenfolge in der horizontalen Richtung relativ zu dem dritten inneren Hohlraum 61 angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist der Diffusionswiderstand R₂ höher als der Diffusionswiderstand R₁. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Es sollte beachtet werden, dass in der 9 die Breite von jedem des dritten inneren Hohlraums 61 und des vierten inneren Hohlraums 63 in der horizontalen Richtung weniger als die Hälfte von derjenigen in der 2 ist. Verglichen mit der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 pumpen die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b eine kleine Menge Sauerstoff hinaus. Folglich ist es selbst dann, wenn das Volumen des dritten inneren Hohlraums 61 und des vierten inneren Hohlraums 63 in der vorstehenden Weise vermindert sind und die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 kleiner sind, unwahrscheinlich, dass die Menge von Sauerstoff, der durch die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b hinausgepumpt wird, unzureichend ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 als schlitzartige Lücken ausgebildet. Der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können, wie es in der 10 gezeigt ist, der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 aus einer porösen Keramik ausgebildet sein (z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃)). In diesem Fall können die Diffusionswiderstände durch Einstellen der Porosität, der Porengröße und dergleichen des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 eingestellt werden. Entsprechend können der erste bis dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, 13 und 30 ebenfalls aus porösen Körpern ausgebildet sein.
Wenn mindestens einer des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 ein poröser Körper ist, kann der poröse Körper eine Messelektrode bedecken. Beispielsweise kann, wie es in der 11 gezeigt ist, der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 die zweite Messelektrode 45 bedecken. In der 11 liegt der vierte innere Hohlraum 63 nicht vor und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 ist innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 angeordnet. In diesem Fall dient das Innere des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, mit anderen Worten, ein Abschnitt in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, als die zweite Messkammer wie der vierte innere Hohlraum 63 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. In dem Fall in der 11 ist ferner der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet, dass das Messgegenstandsgas durch den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60), die erste Messkammer (hier den dritten inneren Hohlraum 61) und den zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht. D.h., der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind in Reihe angeordnet und folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a.
Darüber hinaus können in dem Beispiel in der 11, da die erste Messelektrode 44 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der zweiten Messelektrode 45 zusammen in dem dritten inneren Hohlraum 61 angeordnet sind, diese Positionen in der Vorne-hinten-Richtung umgeschaltet werden, wie es in der 12 gezeigt ist. Alternativ können die erste Messelektrode 44 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der zweiten Messelektrode 45 in einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 angeordnet sein, wie es in der 13 gezeigt ist. In den Ausführungsformen in den 12 und 13 ist die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erhält die Steuereinheit 91 durch die Verwendung des Umschalters 85 selektiv die Spannung V2a und die Spannung V2b. Der Umschalter 85 kann jedoch weggelassen werden und die Spannung V2a und die Spannung V2b können unabhängig eingespeist werden. Darüber hinaus schaltet die Steuereinheit 91 unter Verwendung des Umschalters 86 selektiv, ob das Steuerziel eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b ist. Der Umschalter 86 kann jedoch weggelassen werden und jede der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b kann unabhängig gesteuert werden. In diesem Fall können zwei variable Stromquellen 46 bereitgestellt werden und jede kann zum Steuern der ersten Messpumpzelle 41a verwendet werden und die andere kann zum Steuern der zweiten Messpumpzelle 41b verwendet werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 zwei Messpumpzellen, welche die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b sind. Das Sensorelement 101 kann insgesamt jedoch auch drei oder mehr Messpumpzellen umfassen. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 ferner einen dritten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und eine dritte Messkammer in dieser Reihenfolge auf einer stromabwärtigen Seite des vierten inneren Hohlraums 63 umfassen, und eine dritte Messelektrode kann in der dritten Messkammer angeordnet sein. D.h., der folgende allgemeine Ausdruck ist möglich. Wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, kann das Sensorelement 101 eine erste bis n-te Messpumpzelle umfassen, welche die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b umfassen. Wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, kann eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode und eine p-te äußere Messelektrode umfassen und kann so ausgebildet sein, dass sie Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, hinauspumpt, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die p-te äußere Messelektrode außerhalb des Elementkörpers (den Schichten 1 bis 6 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) bereitgestellt ist, so dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist. Der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt kann so ausgebildet sein, dass das Messgegenstandsgas durch eine (p-1)-te Messkammer und einen p-ten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die p-te Messkammer erreicht. Folglich sind der erste bis n-te Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge in Reihe angeordnet. Folglich ist, wenn ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der p-ten Messelektrode ein p-ter Diffusionswiderstand R_p ist, der p-te Diffusionswiderstand R_p höher als ein (p-1)-ter Diffusionswiderstand R_p-1, d_.h., R₁ < R₂ < _... R_n-1 < R_n ist erfüllt. Folglich kann das Sensorelement 101 durch selektives Verwenden der ersten bis n-ten Messpumpzelle die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiteren Bereich (Erfassungsbereich der Konzentration des spezifischen Gases) verglichen mit einem Sensorelement 101, das nur die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b umfasst, genau erfassen. Beispielsweise kann n kleiner als oder gleich 5 sein.
Wenn die NOx-Konzentration unter Verwendung des Sensorelements 101 gemessen wird, das drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, kann die Steuervorrichtung 90 selektiv eine Mehrzahl von Modi nutzen. Insbesondere weist die Steuervorrichtung 90 einen ersten bis n-ten Messmodus auf und wenn q eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann ein q-ter Messmodus ein Modus sein, in dem eine q-te Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der q-ten Messpumpzelle fließt, den Grenzstrom erreicht, und auf der Basis des Werts des Pumpstroms wird die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst. In diesem Fall kann der Gassensor 100 nicht nur die erste und die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a und 82b umfassen, sondern auch eine dritte bis n-te Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung, so dass sie der jeweiligen ersten bis n-ten Messpumpzelle entsprechen. D.h., wenn q eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann der Gassensor 100 eine q-te Messspannung-Erfassungsvorrichtung umfassen, die eine q-te Messspannung zwischen der Referenzelektrode 42 und einer q-ten Messelektrode erfasst. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 in dem q-ten Messmodus die q-te Messpumpzelle auf der Basis der q-ten Messspannung steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 90 eine Regelung einer variablen Stromquelle, die eine Spannung an die q-te Messpumpzelle anlegt, derart durchführen, dass die q-te Messspannung einen Zielwert erreicht, und kann den Pumpstrom steuern, der in der q-ten Messpumpzelle fließt.
Die Steuervorrichtung 90 kann beispielsweise in der folgenden Weise zwischen dem ersten bis n-ten Messmodus umschalten. D.h., wenn r eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis eines Pumpstroms, der in einer r-ten Messpumpzelle in einem r-ten Messmodus fließt, wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas den oberen Grenzwert eines r-ten Bereichs überschreitet, der ein Bereich einer vorgegebenen Konzentration des spezifischen Gases ist, der entsprechend dem r-ten Messmodus eingestellt ist, den Messmodus zu einem (r+1)-ten Messmodus ändern (ausgenommen wenn r = n). Entsprechend kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms, der in der r-ten Messpumpzelle in dem r-ten Messmodus fließt, wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas niedriger ist als der untere Grenzwert des r-ten Bereichs, der entsprechend dem r-ten Messmodus eingestellt ist, den Messmodus auf einen (r-1)-ten Messmodus ändern (ausgenommen wenn r = 1). D.h., für jeden des ersten bis n-ten Messmodus wird der Bereich der Konzentration des spezifischen Gases, der für den Messmodus geeignet ist (erster bis n-ter Bereich), im Vorhinein eingestellt (beispielsweise in der Speichereinheit 94 gespeichert). Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms bestimmen, ob die momentane Konzentration des spezifischen Gases einen Bereich überschreitet, der für den momentanen Messmodus geeignet ist oder unterhalb des Bereichs fällt, und gemäß dem Bestimmungsergebnis kann die Steuervorrichtung 90 von dem r-ten Messmodus zu dem benachbarten (r+1)-ten Messmodus oder den benachbarten (r-1)-ten Messmodus umschalten. In diesem Fall schaltet die Steuervorrichtung 90 den Messmodus stufenweise um. Darüber hinaus können in diesem Fall der erste bis n-te Bereich zwischen benachbarten Bereichen teilweise überlappen. Der erste bis n-te Bereich können als Bereich der Konzentration des spezifischen Gases bestimmt werden oder können als Bereich von Zahlenwerten (z.B. des Pumpstroms) bestimmt werden, der als der Bereich der Konzentration des spezifischen Gases erachtet werden kann.
Alternativ kann die Steuervorrichtung 90 das Umschalten des Messmodus um zwei oder mehr Stufen gleichzeitig ermöglichen, wie z.B. ein Umschalten des Messmodus von dem r-ten Messmodus zu einem (r+2)-ten Messmodus. Beispielsweise kann, wenn der vorstehend beschriebene erste bis n-te Bereich im Vorhinein eingestellt wird, die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms, der in der r-ten Messpumpzelle in dem r-ten Messmodus fließt, bestimmen, ob die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem x-ten Bereich liegt, der einer des ersten bis n-ten Bereichs ist, der von dem r-Bereich verschieden ist (x ist eine ganze Zahl größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich n und von r verschieden), und wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in den x-ten Bereich einbezogen ist, kann die Steuervorrichtung 90 den Messmodus zu einem x-ten Messmodus ändern. In der vorstehenden Weise kann, beispielsweise wenn die Konzentration des Messgegenstandsgases abrupt und stark variiert, der Messmodus in einer kürzeren Zeit zu einem geeigneten Messmodus geändert werden als in dem Fall, bei dem der Messmodus stufenweise umgeschaltet wird. Die Bereiche des ersten bis n-ten Bereichs überlappen in diesem Fall vorzugsweise nicht zwischen angrenzenden Bereichen (z.B. sind die Bereiche kontinuierlich).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist „größer als 1 und kleiner als oder gleich 100“ als Zahlenwertbereich des Verhältnisses R₂/R₁ gezeigt. Wenn das Sensorelement 101 drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, kann ebenfalls im Wesentlichen der gleiche Zahlenwertbereich erfüllt sein. Insbesondere kann bezüglich des vorstehend beschriebenen ersten bis n-ten Diffusionswiderstands R₁ bis R_n, wenn k eine ganze Zahl von 1 bis n-1 ist, ein Verhältnis R_k+1/R_k zwischen einem k-ten Diffusionswiderstand R_k (einem Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer k-ten Messelektrode) und einem (k+1)-ten Diffusionswiderstand R_k+1 (einem Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (k+1)-ten Messelektrode) größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. D.h., für jede der ersten bis n-ten Messelektrode kann das Verhältnis des Diffusionswiderstands von außerhalb zu einer Messelektrode zwischen angrenzenden Messelektroden größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Der Wert des Verhältnisses R_k+1/R_k kann mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie für das vorstehend beschriebene Verhältnis R₂/R₁ berechnet werden. Es sollte beachtet werden, dass der Ausdruck „das Verhältnis R_k+1/R_k ist größer als 1 und kleiner als oder gleich 100“ bedeutet, dass jeder der Werte von Verhältnissen R₂/R₁, R₃/R₂, ..., und R_n/R_n-1 ein Wert im Bereich von größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 ist und alle diese Verhältnisse nicht notwendigerweise der gleiche Wert sind.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform schaltet nach dem Schritt S120 zuerst die CPU 92 in dem Schritt S130 zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um. Nach dem Schritt S120 kann die CPU 92 in dem Schritt S230 jedoch zuerst zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform schaltet die CPU 92 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um. Das Umschalten ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die CPU 92 auf der Basis eines Signals von einer anderen Vorrichtung, wie z.B. einem Motor-ECU, umschalten.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Sensorelement 101 eine poröse Schutzschicht (z.B. eine poröse Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃)) umfassen, die einen Abschnitt um ein vorderes Ende des Elementkörpers bedeckt. Folglich kann die poröse Schutzschicht beispielsweise einen Wärmeschock auf den Elementkörper verhindern, der durch Feuchtigkeit in dem Messgegenstandsgas verursacht wird, und kann einen Riss in dem Elementkörper verhindern. Wenn die poröse Schutzschicht den Gaseinlass 10 bedeckt, beeinflusst der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht auch die Werte des ersten Diffusionswiderstands R₁ und des zweiten Diffusionswiderstands R₂, die vorstehend beschrieben worden sind.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthält. Die innere Pumpelektrode 22 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die innere Pumpelektrode 22 kann ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) und ein Edelmetall mit einer Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität umfassen, welche die katalytische Aktivität des Edelmetalls mit der katalytischen Aktivität (z.B. Au) in Bezug auf ein spezifisches Gas verhindert. So wie die innere Pumpelektrode 22 kann auch die Hilfspumpelektrode 51 ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität und ein Edelmetall mit einer Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität umfassen. Jede der äußeren Pumpelektrode 23, der Referenzelektrode 42, der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 kann das vorstehend beschriebene Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität umfassen. Jede der Elektroden 22, 23, 42, 44, 45 und 51 ist vorzugsweise ein Cermet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (z.B. ZrO₂) umfasst, jedoch ist eine oder sind mehrere dieser Elektroden nicht notwendigerweise ein Cermet. Jede der Elektroden 22, 23, 42, 44, 45 und 51 ist vorzugsweise ein poröser Körper, jedoch ist eine oder sind mehrere dieser Elektroden nicht notwendigerweise ein poröser Körper.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Der Gassensor 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange der Gassensor 100 ein Grenzstrom-Gassensor ist, der die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst. Beispielsweise kann die Konzentration des spezifischen Gases abgesehen von der NOx-Konzentration die Konzentration eines anderen Oxids sein. Wenn das spezifische Gas ein Oxid ist, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 reduziert wird, und folglich werden Erfassungswerte gemäß dem Sauerstoff (z.B. die Pumpströme Ip2a und Ip2b) unter Verwendung der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b erfasst, und die Konzentration des spezifischen Gases kann erfasst werden. Alternativ kann das spezifische Gas auch ein Nicht-Oxid sein, wie z.B. Ammoniak. Wenn das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird durch Umwandeln des spezifischen Gases in ein Oxid (z.B. wenn das spezifische Gas Ammoniak ist, durch Umwandeln von Ammoniak in NO) Sauerstoff erzeugt, wenn das umgewandelte Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 reduziert wird. Folglich kann die Konzentration des spezifischen Gases wie in einem Fall erfasst werden, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist. Das spezifische Gas kann beispielsweise durch mindestens eine der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51, die als Katalysator wirkt, in ein Oxid umgewandelt werden.
Alternativ kann das spezifische Gas Sauerstoff sein und der Gassensor 100 kann eine Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfassen. Wenn die Steuervorrichtung 90 das Sensorelement 101 derart steuert, dass die Pumpströme Ip2a und Ip2b, die in der ersten und der zweiten Messpumpzelle 41a und 41b fließen, Grenzströme erreichen, während die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 in dem Sensorelement 101 nicht eingestellt wird, erreichen die Pumpströme Ip2a und Ip2b Werte gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas. Folglich kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b die Sauerstoffkonzentration erfassen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 90 das Sensorelement 101 zur Durchführung der Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine in im Wesentlichen der gleichen Weise wie derjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuern, mit der Ausnahme, dass die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 nicht betrieben werden. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b derart steuern, dass jeder der Pumpströme Ip2a und Ip2b den Grenzstrom erreicht, und führt nicht notwendigerweise z.B. die vorstehend beschriebene Regelung derart durch, dass die Spannungen V2a und V2b den Zielwert V2* erreichen. Beispielsweise kann der Wert der Spannung Vp2, durch den der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration erreicht, im Vorhinein bestimmt werden, und die Steuervorrichtung 90 kann die variable Stromquelle 46 so steuern, dass die Spannung Vp2 des Werts in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration angelegt wird. Entsprechend kann der Wert der Spannung Vp2, durch den der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration erreicht, im Vorhinein bestimmt werden. Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases erfasst, werden so wie die innere Pumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51 die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist. Beispielsweise kann jede der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 das vorstehend beschriebene Edelmetall mit der Funktion des Unterdrückens einer katalytischen Aktivität zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität enthalten. Es sollte beachtet werden, dass von der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 die zweite Messelektrode 45, die sich auf einer stromabwärtigen Seite in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt befindet, zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration verwendet wird, wenn Sauerstoff eine hohe Konzentration aufweist, und folglich ist selbst dann, wenn die NOx-Komponenten reduziert werden, der Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration gering. Folglich enthält die zweite Messelektrode 45 nicht notwendigerweise beispielsweise das vorstehend beschriebene Edelmetall mit der Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität. Wenn die Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas, das kein Oxid, wie z.B. NOx, umfasst, gemessen werden soll, enthalten sowohl die erste Messelektrode 44 als auch die zweite Messelektrode 45 nicht notwendigerweise das Edelmetall mit der Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität.
Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst, umfasst der Gassensor 100 nicht notwendigerweise die Einstellpumpzelle und die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer. Die 14 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung zeigt. In der 14 werden die gleichen Strukturelemente wie diejenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In einem Sensorelement 201 des Gassensors 200 umfasst der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt den Aufbau, welcher der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer entspricht, d.h., den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 in der 1, nicht und umfasst auch nicht den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30. Folglich tritt das Messgegenstandsgas, das durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 in den Pufferraum 12 hindurchtritt, direkt durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, der stromabwärts von dem Pufferraum 12 bereitgestellt ist, hindurch und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61. In dem Gassensor 200 erreichen auch die Pumpströme Ip2a und Ip2b, die in der ersten und der zweiten Messpumpzelle 41a und 41b fließen, Werte gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas, und folglich kann die Sauerstoffkonzentration auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b erfasst werden. In dem Sensorelement 201 können der Pufferraum 12 und der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 weggelassen werden. In diesem Fall entspricht der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Ferner kann, wenn der Öffnungsbereich des Gaseinlasses 10 so klein ist, dass der Gaseinlass 10 als Diffusionsrateneinstellabschnitt wirkt, eine schlitzartige Lücke wie der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 weggelassen werden. In diesem Fall entspricht der Gaseinlass 10 dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt.
Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst, können ebenfalls die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen oder Konfigurationen zum Messen der NOx-Konzentration eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 die vorstehend beschriebene erste bis n-te Messpumpzelle umfassen und die Steuervorrichtung 90 kann den ersten bis n-ten Messmodus aufweisen. Beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas das Abgas eines Verbrennungsmotors ist, kann sich die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas in einem breiteren Grenzbereich als die NOx-Konzentration ändern (z.B. in einem Bereich von weniger als 1 ppm bis mehrere Prozent). Folglich ist es, wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration erfasst, effektiv, dass das Sensorelement 101 insgesamt drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, so dass der Bereich vergrößert wird, in dem die Sauerstoffkonzentration genau erfasst werden kann (Erfassungsbereich der Sauerstoffkonzentration).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 der Schichtkörper mit der Mehrzahl von Festelektrolytschichten (den Schichten 1 bis 6). Der Elementkörper ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen. Beispielsweise kann es sich bei den Schichten 1 bis 5, die von der zweiten Festelektrolytschicht 6 in der 1 verschieden sind, um eine Schicht handeln, die aus einem Material ausgebildet ist, das von der Festelektrolytschicht verschieden ist (z.B. eine Schicht, die aus Aluminiumoxid ausgebildet ist). In diesem Fall kann jede Elektrode, die in das Sensorelement 101 einbezogen ist, auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Beispielsweise können die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 in der 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Referenzgas-Einführungsraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 und nicht in der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt sein; die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 und nicht zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 bereitgestellt sein; und die Referenzelektrode 42 kann bezogen auf den dritten inneren Hohlraum 61 rückwärts und auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt die Steuereinheit 91 den Zielwert V0*der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (regelt diesen), dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht, und führt eine Regelung der Spannung Vp0 derart durch, dass die Spannung V0 den Zielwert V0*erreicht. Die Steuereinheit 91 kann jedoch eine weitere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 91 eine Regelung der Spannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht. D.h., die Steuereinheit 91 kann die Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 und das Einstellen des Zielwerts V0*nicht durchführen und kann die Spannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 direkt steuern (oder den Pumpstrom Ip0 steuern).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die äußere Pumpelektrode 23 die Rolle von vier Elektroden auf, die eine äußere Hauptpumpelektrode, die ein Paar mit der inneren Pumpelektrode 22 in der Hauptpumpzelle 21 sein soll, eine äußere Hilfspumpelektrode, die ein Paar mit der Hilfspumpelektrode 51 in der Hilfspumpzelle 50 sein soll, die erste äußere Messelektrode, die ein Paar mit der ersten Messelektrode 44 in der ersten Messpumpzelle 41a sein soll, und die zweite äußere Messelektrode, die ein Paar mit der zweiten Messelektrode 45 in der zweiten Messpumpzelle 41b sein soll, sind. Die äußere Pumpelektrode 23 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Mindestens eine der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode, der ersten äußeren Messelektrode und der zweiten äußeren Messelektrode kann derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt sein, dass sie unabhängig von der äußeren Pumpelektrode 23 mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist. Wenn das Sensorelement 101 drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, kann auch die äußere Pumpelektrode 23 alle Rollen der ersten bis n-ten äußeren Messelektroden aufweisen, und mindestens eine der ersten bis n-ten äußeren Messelektroden kann derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt sein, dass sie mit dem Messgegenstandsgas unabhängig von der äußeren Pumpelektrode 23 in Kontakt ist.
Als ein weiteres Beispiel der Ausführungsform, die in der 9 gezeigt ist, d.h., die Ausführungsform, in welcher der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in einer Richtung angeordnet sind, die von der Vorne-hinten-Richtung verschieden ist, und als ein weiteres Beispiel der Ausführungsform, in der ein Diffusionsrateneinstellabschnitt, der in den 10 bis 13 gezeigt ist, als poröser Körper ausgebildet ist, kann die in der 15 gezeigte Ausführungsform genannt werden. In der 15 ist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 unterhalb des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des dritten inneren Hohlraums 61 angeordnet. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 ist als poröser Körper ausgebildet und ist so in der ersten Festelektrolytschicht 4 eingebettet, dass er sich vertikal durch die erste Festelektrolytschicht 4 erstreckt. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bedeckt die zweite Messelektrode 45, die auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Die obere Oberfläche des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 liegt zu dem dritten inneren Hohlraum 61 frei und ein Strömungsweg in der vertikalen Richtung von dem dritten inneren Hohlraum 61 zu der zweiten Messelektrode 45 ist ausgebildet. In der 15 liegt der vierte innere Hohlraum 63 nicht vor und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 befindet sich auf einer stromabwärtigen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 und ist innerhalb des Elementkörpers eingebettet. In der in der 15 gezeigten Ausführungsform dient wie in den Ausführungsformen in den 11 und 13 das Innere des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, d.h., ein Abschnitt in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, als die zweite Messkammer. In der Ausführungsform in der 15 ist auch der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet, dass das Messgegenstandsgas durch den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60), die erste Messkammer (hier den dritten inneren Hohlraum 61) und den zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht. D.h., der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind in Reihe angeordnet. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Es sollte beachtet werden, dass in dem Beispiel in der 15 der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 wie der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in der 1 als zwei horizontal lange Schlitze ausgebildet. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 kann jedoch wie der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in der 1 als einzelner horizontal langer Schlitz ausgebildet sein. Darüber hinaus ist in der 15 die zweite Messelektrode 45 auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und nicht auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, und folglich wird die Positionsbeziehung vorzugsweise derart in einer geeigneten Weise eingestellt, dass die Positionen der zweiten Messelektrode 45 und der Satz aus der Referenzelektrode 42 und der atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 einander nicht überlappen. In dem Beispiel in der 15 ist der Satz aus der Referenzelektrode 42 und der atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 weiter rückwärts bereitgestellt als in der Ausführungsform in der 1, so dass diese nicht mit der zweiten Messelektrode 45 überlappen.
Als ein weiteres Beispiel der Ausführungsform, in der ein Diffusionsrateneinstellabschnitt als poröser Körper ausgebildet ist, kann auch die in der 16 gezeigte Ausführungsform genannt werden. In der 16 ist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 als poröser Körper ausgebildet und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bedeckt die zweite Messelektrode 45. In der 16 liegt der vierte innere Hohlraum 63 nicht vor und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 befindet sich auf einer stromabwärtigen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 und ist zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet und ist innerhalb des Elementkörpers eingebettet. Das vordere Ende des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 liegt zu dem dritten inneren Hohlraum 61 frei. Die zweite Messelektrode 45 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet und ist mit dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bedeckt. Auch in der Ausführungsform in der 16 dient wie in den Ausführungsformen in den 11 und 13 das Innere des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, d.h., ein Abschnitt in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, als die zweite Messkammer. Auch in dem Fall in der 16 sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in Reihe angeordnet. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Der Diffusionswiderstand des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kann beispielsweise durch Einstellen von jedem der Porosität, der Porengröße, der Dicke (vertikale Länge, die in der 16 gezeigt ist), der Breite (horizontale Länge) und der Länge von einem Ende auf der stromaufwärtigen Seite zu der zweiten Messelektrode 45 (Vorne-hinten-Länge) eingestellt werden. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und die zweite Messelektrode 45, die in der 16 gezeigt sind, können beispielsweise in der folgenden Weise hergestellt werden. Auf der oberen Oberfläche einer Keramikgrünlage, die der ersten Festelektrolytschicht 4 entspricht, wird eine Paste zur Bildung des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 und der zweiten Messelektrode 45 gedruckt und die Keramikgrünlage und eine Keramikgrünlage, die der Abstandshalterschicht 5 entspricht, werden schichtartig angeordnet und gebrannt.
Darüber hinaus kann der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in der 16 eine schlitzartige Lücke anstelle eines porösen Körpers sein. Beispielsweise verschwindet, wenn in dem vorstehenden Herstellungsverfahren anstelle der Paste zur Bildung des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 (poröser Körper) in der 16 eine Paste aus einem verschwindenden Material (z.B. Theobromin) gedruckt wird, die durch Erwärmen verschwindet, die Paste durch Brennen nach dem schichtartigen Anordnen der Keramikgrünlagen zur Bildung der Schichten 1 bis 6 und dadurch kann der Abschnitt des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in der 16 als schlitzartige Lücke (Raum) zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet werden. Wenn der Abschnitt des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in der 16 als schlitzartige Lücke ausgebildet ist, entspricht in dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 insbesondere ein Abschnitt von einem Ende auf einer stromaufwärtigen Seite (d.h., dem vorderen Ende) des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 zu dem vorderen Ende der zweiten Messelektrode 45 dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entspricht eine Lücke (ein Raum) in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 in dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 der zweiten Messkammer. Wenn der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 eine schlitzartige Lücke ist, kann der Diffusionswiderstand des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 durch Einstellen beispielsweise von mindestens einem der Dicke, der Breite und der Länge von dem Ende auf der stromaufwärtigen Seite zu der zweiten Messelektrode 45 des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 eingestellt werden.
Die Ausführungsform in der 16 kann durch Ändern zum Ausbilden nicht nur des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, sondern auch des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 als porösen Körper wie in der 17 ausgebildet werden. In der 17 ist ein Weg des Messgegenstandsgases von dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu der zweiten Messelektrode 45 aus einem porösen Körper 65 ausgebildet. Der poröse Körper 65 ist so abgeordnet, dass er zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5 eingeschlossen und innerhalb des Elementkörpers eingebettet ist. Der poröse Körper 65 bedeckt die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet sind. In der 17 ist ein Abschnitt des porösen Körpers 65 von dem vorderen Ende zu der ersten Messelektrode 44 der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und ein Abschnitt des porösen Körpers 65 zwischen der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 ist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62. Darüber hinaus dient ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65 und der ersten Messelektrode 44, mit anderen Worten, ein Abschnitt in der Umgebung der ersten Messelektrode 44, als die erste Messkammer. Entsprechend dient ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65 und der zweiten Messelektrode 45 als die zweite Messkammer. Auch in der Ausführungsform in der 17 sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in Reihe angeordnet. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Der poröse Körper 65, die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 in der 17 können im Wesentlichen mit dem gleichen Verfahren wie demjenigen für den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und die zweite Messelektrode 45 in der 16 hergestellt werden. Auch in der 17 kann der Abschnitt des porösen Körpers 65 eine schlitzartige Lücke anstatt eines porösen Körpers sein.
Gewerbliche Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020 - 060781 , die am 30. März 2020 eingereicht worden ist, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-041459 , die am 15. März 2021 eingereicht worden ist, die unter Bezugnahme vollständig hierin einbezogen sind.
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 5323752 [0003]
JP 2020 [0112]
JP 060781 [0112]
JP 2021041459 [0112]

Claims

Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt; eine Einstellpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt einstellt; eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode und eine erste äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer ersten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in der ersten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die erste äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt; und eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode und eine zweite äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer zweiten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in der zweiten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die zweite äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die erste Messkammer erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch die erste Messkammer und einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper ist, und wobei der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper ist.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend: wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, erste bis n-te Messpumpzellen, einschließlich die erste Messpumpzelle und die zweite Messpumpzelle, wobei, wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode und eine p-te äußere Messelektrode umfasst und zum Hinauspumpen von Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, ausgebildet ist, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die p-te äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert, und wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch eine (p-1)-te Messkammer und einen p-ten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die p-te Messkammer erreicht.
Sensorelement nach Anspruch 3, wobei, wenn k eine ganze Zahl von 1 bis n-1 ist, ein Verhältnis R_k+1/R_k zwischen einem k-ten Diffusionswiderstand R_k und einem (k+1)-ten Diffusionswiderstand R_k+1 größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 ist, der k-te Diffusionswiderstand R_k ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer k-ten Messelektrode ist, wobei der (k+1)-te Diffusionswiderstand R_k+1 ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (k+1)-ten Messelektrode ist.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Grenzstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei, wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit hoher Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschaltet, und wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit niedriger Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration umschaltet.
Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration als Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt; eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode und eine erste äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in einer ersten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die erste äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt; und eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode und eine zweite äußere Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in einer zweiten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite äußere Messelektrode derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet ist, dass das Messgegenstandsgas durch einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt hindurchtritt und die erste Messkammer erreicht, und dass das Messgegenstandsgas durch die erste Messkammer und einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt in dieser Reihenfolge hindurchtritt und die zweite Messkammer erreicht.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach Anspruch 7; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Grenzstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird.