DE102021130747A1

DE102021130747A1 - Gassensor

Info

Publication number: DE102021130747A1
Application number: DE102021130747.3A
Authority: DE
Inventors: Taku Okamoto; Soichiro YOSHIDA; Ryo Hashikawa
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2022-06-09
Also published as: CN114624306B; CN114624306A; US20220178869A1

Abstract

Ein Gassensor 100 enthält ein Sensorelement 101 und eine Steuereinrichtung. Während einer normalen Betriebszeit des Sensorelements 101 führt die Steuereinrichtung ein Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens des Sauerstoffs in einem dritten inneren Hohlraum 61 durch Steuern einer Messpumpenzelle 41 aus, so dass eine Spannung V2 einen Normalzeit-Zielwert erreicht. Zur Startzeit des Sensorelements 101, die vor der normalen Betriebszeit liegt, führt die Steuervorrichtung ein Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens des Sauerstoffs in den dritten inneren Hohlraum 61 aus, indem sie die Messpumpenzelle 41 so steuert, dass die Spannung V2 einen Startzeit-Zielwert erreicht, der höher als der Normalzeit-Zielwert ist. Die Steuereinrichtung erfasst eine bestimmte Gaskonzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage eines Pumpenstroms Ip2, der durch die Messpumpenzelle 41 durch das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren fließt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Bisher ist ein Gassensor bekannt, der eine bestimmte Gaskonzentration, wie NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie dem Abgas eines Automobils, detektiert. PTL 1 beschreibt beispielsweise einen Gassensor, der ein Sensorelement mit mehreren sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten, eine im Sensorelement angeordnete Messelektrode und einen im Sensorelement angeordneten Heizer enthält. In diesem Gassensor wird die bestimmte Gaskonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpenstroms ermittelt, der fließt, wenn das Messgegenstandsgas um die Messelektrode herum eingeleitet und der Sauerstoff um die Messelektrode herum abgepumpt wird. Der Heizer heizt das Sensorelement auf eine Temperatur auf, bei der die Festelektrolytschichten aktiviert werden, und hält die Temperatur.
ZITATENLISTE
PATENTLITERATUR
PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2016-166871
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es dauert eine gewisse Zeit, bis ein solcher Gassensor in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration korrekt zu erkennen, nachdem der Heizer eingeschaltet wurde, und diese Zeit wird als Anspringzeit bezeichnet. Die Anspringzeit ist in der Regel länger, da mehr Zeit benötigt wird, um Sauerstoff (Sauerstoff, der nicht aus einem bestimmten Gas erzeugt wird) herauszupumpen, so dass die Messgenauigkeit im Wesentlichen nicht beeinträchtigt wird, da der Sauerstoff in einer Messkammer, in der die Messelektrode angeordnet ist, bereits vor dem Einsatz des Sensorelements vorhanden ist. In den letzten Jahren hat sich die Notwendigkeit, die Anspringzeit in einem solchen Gassensor zu vermindern, aufgrund der zunehmenden Regulierung der Emissionskontrolle erhöht.
Die vorliegende Erfindung wurde entwickelt, um ein solches Problem zu lösen, und es ist eine Hauptaufgabe, die Anspringzeit des Sensorelements zu vermindern.
LÖSUNG DES PROBLEMS
Die vorliegende Erfindung verwendet die folgende Einrichtung, um die vorstehend beschriebene Aufgabe zu lösen.
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung beinhaltet:

ein Sensorelement, das enthält
einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einleitet und das Messgegenstandsgas strömen lässt,
eine Messpumpenzelle mit einer äußeren Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt zu sein, und einer inneren Messelektrode, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpenzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Umgebung der inneren Messelektrode in die Umgebung der äußeren Messelektrode herauspumpt,
eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für den Nachweis einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas dient, und
eine Messspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst;
einen Pumpenzellencontroller, der ein Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer während einer normalen Betriebszeit des Sensorelements durch Steuern der Messpumpenzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Zielwert erreicht, und ein Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer zu einer Startzeit des Sensorelements früher als die normale Betriebszeit durch Steuern der Messpumpenzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Startzeit-Zielwert erreicht, der höher als der Normalzeit-Zielwert ist; und
einen bestimmten Gaskonzentrationserfassungsbereich, der die bestimmte Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage eines Messpumpenstroms erfasst, der durch die Messpumpenzelle durch das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren fließt.

In diesem Gassensor wird während einer normalen Betriebszeit des Sensorelements ein Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ausgeführt, um den Sauerstoff in der Messkammer durch Steuerung der Messpumpenzelle abzupumpen, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Zielwert erreicht. Dann wird die bestimmte Gaskonzentration im Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Messpumpenstroms, der durch die Messpumpenzelle fließt, durch das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ermittelt. Darüber hinaus wird im Gassensor zu einer Startzeit des Sensorelements, die vor der normalen Betriebszeit liegt, ein Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ausgeführt, um den Sauerstoff in der Messkammer durch Steuerung der Messpumpenzelle abzupumpen, so dass die Messspannung einen Startzeit-Zielwert erreicht, der höher ist als ein Normalzeit-Zielwert. Mit anderen Worten: bei dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren wird der Sauerstoff in der Messkammer abgepumpt, wobei der Zielwert für die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer niedriger ist als der Zielwert während der normalen Betriebszeit. Somit kann der Sauerstoff, der sich vor dem Start des Sensorelements in der Messkammer befunden hat, schnell aus der Messkammer entfernt werden, verglichen mit dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren während seit der Startzeit des Sensorelements. Dadurch wird die Anspringzeit des Sensorelements verkürzt. Hier enthält der Sauerstoff, der seit der Inbetriebnahme des Sensorelements in der Messkammer vorhanden war, beispielsweise die Sauerstoffmoleküle (O₂), die in dem Raum in der Messkammer vorhanden sind, die Sauerstoffmoleküle (O₂), die an der Oberfläche einer inneren Messelektrode haften, und der Sauerstoff (der das Bestandteilsmaterial oxidiert), der an das Bestandteilsmaterial für die innere Messelektrode bindet.
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung kann enthalten: einen Heizer, der den Elementkörper erwärmt; und einen Heizercontroller, der ein Heizersteuerungsverfahren zum Einschalten des Heizers ausführt, um zu bewirken, dass der Heizer Wärme erzeugt, so dass eine Sensorelementtemperatur, die eine Temperatur des Heizers oder des Elementkörpers ist, eine vorbestimmte Zieltemperatur erreicht. Nachdem das Heizersteuerungsverfahren gestartet wurde, wenn die Sensorelementtemperatur eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, der niedriger als oder gleich der Zieltemperatur ist, kann der Pumpenzellencontroller das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren starten. Auf diese Weise kann der Startzeitpunkt für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur in geeigneter Weise bestimmt werden. Der vorbestimmte Schwellenwert kann ein Wert sein, der niedriger ist als die Zieltemperatur. Hier beinhaltet „den Heizer mit Energie versorgen, um zu bewirken, dass der Heizer Wärme erzeugt, so dass eine Sensorelementtemperatur eine vorbestimmte Zieltemperatur erreicht“ einen Fall, in dem der Heizer auf der Grundlage der Sensorelementtemperatur selbst gesteuert wird, und einen Fall, in dem der Heizer auf der Grundlage eines in die Sensorelementtemperatur umwandelbaren Wertes (z.B. des Widerstandswerts des Heizers, des Widerstandswerts eines elektrischen Schaltkreises, der den Festelektrolyten enthält) gesteuert wird. Beispiele für den Widerstandswert eines elektrischen Schaltkreises, der einen Festelektrolyten enthält, sind z.B. der Widerstandswert der Messpumpenzelle und der Widerstandswert der Messspannungserfassungs-Sensorzelle.
In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Sensorelement eine Einstellpumpenzelle aufweisen, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einstellt, die auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts vorgesehen ist, und der Pumpenzellencontroller kann ein Einstellpumpen-Steuerungsverfahren des Betriebs der Einstellpumpenzelle zur Startzeit des Sensorelements ausführen und wenn auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle bestimmt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, kann ein Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zu dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfolgen. Hier befindet sich vor der Inbetriebnahme des Sensorelements nicht nur die Messkammer, sondern auch die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer auf der stromaufwärts gelegenen Seite in einem Zustand (wie Luftatmosphäre), in dem viel Sauerstoff (nicht aus einem bestimmten Gas erzeugter Sauerstoff) vorhanden ist. Zur Startzeit des Sensorelements führt der Pumpenzellencontroller ein Einstellpumpenzellensteuerungsverfahren durch, wodurch es möglich wird, auch den Sauerstoff zu entfernen, der sich vor der Inbetriebnahme des Sensorelements in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer befunden hat. Da die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer und die Messkammer miteinander in Verbindung stehen, kann der Sauerstoff in der Messkammer auch durch den Betrieb der Einstellpumpenzelle entfernt werden. Darüber hinaus stehen, wie vorstehend erwähnt, die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer und die Messkammer miteinander in Verbindung, so dass, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, auch der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt wird. Wenn also auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle festgestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, wird das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umgeschaltet, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise vom Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umzuschalten. Hier beinhaltet „wenn festgestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, wird von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umgeschaltet“ einen Fall, bei dem, wenn festgestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, sofort umgeschaltet wird, und einen Fall, bei dem, wenn festgestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, nach dem Zeitpunkt der Feststellung umgeschaltet wird. Beispiele für den letzteren Fall enthalten einen Fall, bei dem, wenn eine andere Bedingung zusätzlich zu der Feststellung, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, erfüllt ist, wie ein Fall, bei dem nach Ablauf einer vorbestimmten Zeit seit der Feststellung, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, ein Umschalten erfolgt.
In diesem Fall kann die Einstellpumpenzelle eine innere Einstellpumpenelektrode, die in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer angeordnet ist, und eine äußere Einstellpumpenelektrode, die in einem Abschnitt angeordnet ist, der dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist, enthalten.
In dem Gassensor, der eine Einstellpumpenzelle gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält, kann die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum aufweisen, der auf einer stromabwärts gelegenen Seite des ersten inneren Hohlraums und auf einer stromaufwärts gelegenen Seite der Messkammer vorgesehen ist, wobei die Einstellpumpenzelle eine Hauptpumpenzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpenzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, aufweisen kann, das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren ein Hilfspumpen-Steuerungsverfahren zum Steuern der Hilfspumpenzelle, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Hohlraum eine Zielkonzentration erreicht, und ein Hauptpumpen-Steuerungsverfahren zum Steuern der Hauptpumpenzelle, so dass ein Hilfspumpenstrom, der durch die Hilfspumpenzelle durch das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren fließt, einen Zielstrom erreicht, enthalten kann, und wenn festgestellt wird, dass der Hilfspumpenstrom um den Zielstrom herum stabilisiert ist, der Pumpenzellencontroller ein Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zu dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vornehmen kann. Mit anderen Worten, wenn festgestellt wird, dass der Hilfspumpenstrom auf dem Zielstrom stabilisiert ist, kann festgestellt werden, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Grundlage des Hilfspumpenstroms in geeigneter Weise von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umzuschalten.
In diesem Fall kann die Hauptpumpenzelle eine innere Hauptpumpenelektrode enthalten, die in dem ersten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine äußere Hauptpumpenelektrode, die in einem Abschnitt angeordnet ist, der dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist. Die Hilfspumpenzelle kann eine innere Hilfspumpenelektrode enthalten, die im zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, und eine äußere Hilfspumpenelektrode, die in einem Abschnitt angeordnet ist, der dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist.
In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann der Pumpenzellencontroller, wenn eine Leerlaufmessspannung eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, eine Umschaltung von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vornehmen, wobei die Leerlaufmessspannung eine Messspannung in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die innere Messelektrode und die Referenzelektrode zu leiten. Die Leerlaufmessspannung hat einen Wert, der der Sauerstoffkonzentration in der Messkammer entspricht, so dass es möglich ist, durch Vergleich der Leerlaufmessspannung mit dem Schwellenwert in geeigneter Weise festzustellen, ob der Sauerstoff in der Messkammer ausreichend abgepumpt wurde oder nicht. Auf diese Weise ist es möglich, in geeigneter Weise von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umzuschalten.
In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die innere Messelektrode mindestens eines von Pt und Rh enthalten. Edelmetall wie Pt und Rh kann an den Sauerstoff in der Messkammer gebunden werden, um oxidiert zu werden, und der Sauerstoff reduziert die Genauigkeit der Detektion der bestimmten Gaskonzentration, so dass es bei der Startzeit des Sensorelements notwendig ist, das Oxid des Edelmetalls, das in der inneren Messelektrode enthalten ist, zu reduzieren und den Sauerstoff aus der Messkammer zu pumpen. Die Reduktion des Edelmetalloxids und das Abpumpen des Sauerstoffs nimmt mehr Zeit in Anspruch als das Abpumpen der Sauerstoffmoleküle in der Messkammer; wenn oxidiertes Edelmetall in der Messkammer vorhanden ist, wird sich somit die Anspringzeit wahrscheinlich erhöhen. In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann bei der Startzeit des Sensorelements das oxidierte Edelmetall früh durch die Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens statt dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren reduziert werden, so dass die Anspringzeit verkürzt werden kann. Somit weist, wenn die innere Messelektrode mindestens eines von Pt und Rh enthält, die Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens eine große Bedeutung auf.
In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann das Volumen C der inneren Messelektrode 8×10^-3 mm³ oder mehr und 32×10^-3 mm³ oder weniger betragen und die Differenz ΔV zwischen dem Startzeit-Zielwert und dem Normalzeit-Zielwert kann 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger betragen. Wenn das Volumen C größer als oder gleich 8×10^-3 mm³ ist, ist die Fähigkeit, den Sauerstoff um die Messelektrode herum durch die Messpumpenzelle abzupumpen, ausreichend hoch. Wenn die Differenz ΔV kleiner oder gleich 200 mV ist, ist der Wert der an die innere Messelektrode angelegten Spannung zum Zeitpunkt der Startzeit des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens nicht zu hoch. Für ein größeres Volumen C neigt die Differenz ΔV, die benötigt wird, um den Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend zu verstärken, dazu, sich zu erhöhen. Wenn jedoch das Volumen C 8×10^-3 mm³ oder mehr und 32×10^-3 mm³ oder weniger beträgt und die Differenz ΔV 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger ist, kann der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend verstärkt werden, während der untere Grenzwert des Volumens C und der obere Grenzwert der vorstehend erwähnten Differenz ΔV erfüllt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
2 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung der elektrischen Verbindung zwischen einer Steuereinrichtung 90 und Zellen sowie einem Heizer 72 zeigt.
3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Startzeitsteuerungsverfahren zeigt.
4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeitsteuerungsverfahrens und eines Normalzeitsteuerungsverfahrens zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Startzeitsteuerungsverfahren einer Modifizierung zeigt.
6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeitsteuerungsverfahrens und eines Normalzeitsteuerungsverfahrens einer Modifizierung zeigt.
7 ist ein Phasendiagramm von Rh₂O₃.
8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 201 einer Modifizierung.
9 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Volumen C einer Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit zeigt, wobei die Differenz ΔV zwischen Zielwerten liegt.
10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Unterschwingen des Pumpenstroms Ip2 zeigt.

AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Verwendung der Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für eine Konfiguration eines Gassensors 100, die eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist, zeigt. 2 ist ein Blockdiagramm, das die Beziehung der elektrischen Verbindung zwischen einer Steuereinrichtung 90 und Zellen sowie einem Heizer 72 zeigt. Der Gassensor 100 ist beispielsweise in einem Rohr, wie einem Abgasrohr eines Verbrennungsmotors, wie einem Dieselmotor, installiert. Der Gassensor 100 verwendet das Abgas des Verbrennungsmotors als Messgegenstandsgas und detektiert die bestimmte Gaskonzentration, wie NOx im Messgegenstandsgas. Der Gassensor 100 enthält ein langes, rechteckiges, parallelepipedisches Sensorelement 101, Zellen 15, 21, 41, 50, 80 bis 83, die jeweils einen Teil des Sensorelements 101 enthalten, einen Heizerabschnitt 70, der im Inneren des Sensorelements 101 vorgesehen ist, und die Steuereinrichtung 90, die den gesamten Gassensor 100 steuert.
Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper, in dem sechs Schichten, d.h. eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einer sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) oder dergleichen bestehen, in dieser Reihenfolge von der unteren Oberfläche der Zeichnung aus laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, ist ein dichter, luftdichter. Das Sensorelement 101 wird hergestellt, indem z.B. eine vorbestimmte Bearbeitung, das Aufdrucken eines Schaltungsmusters und dergleichen auf eine keramische Grünplatte, die jeder Schicht entspricht, vorgenommen wird, diese Platten dann laminiert und zu integrierenden Platten weiter gebrannt werden.
An der Seite eines Spitzenendabschnitts des Sensorelements 101 (linke Endabschnittsseite in 1) sind eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster diffusionsgesteuerter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter diffusionsgesteuerter Abschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter diffusionsgesteuerter Abschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter diffusionsgesteuerter Abschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 benachbart zueinander ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 miteinander kommunizieren.
Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Räume, deren Oberteile, Unterteile und Seitenteile, die durch Aushöhlung der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt werden, jeweils durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 und die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 definiert sind.
Jeder des ersten diffusionsgesteuerten Abschnitts 11, des zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitts 13 und des dritten diffusionsgesteuerten Abschnitts 30 ist als zwei seitlich lange Schlitze (Öffnungen, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist als ein einziger seitlich langer Schlitz (eine Öffnung, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist) vorgesehen, der als ein Abstand von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Teil von der Gaseinlassöffnung 10 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bezeichnet.
An einer Stelle, die weiter von der Seite des Spitzenendes entfernt ist als der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt, ist ein Referenzgaseinlassraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Stelle vorgesehen, an der das Seitenteil durch die Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 definiert ist. Beispielsweise wird die Atmosphäre in den Referenzgaseinlassraum 43 als Referenzgas zum Zeitpunkt der Messung einer NOx-Konzentration eingeleitet.
Eine Atmosphäreneinlassschicht 48 ist eine Schicht aus poröser Keramik. Das Referenzgas wird in die Atmosphäreneinlassschicht 48 durch den Referenzgaseinlassraum 43 eingeleitet. Die Atmosphäreneinlassschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die so ausgebildet ist, dass die Referenzelektrode 42 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 liegt. Wie vorstehend beschrieben, ist die Atmosphäreneinlassschicht 48, die mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht, um die Referenzelektrode 42 herum vorgesehen. Wie später beschrieben wird, ist es möglich, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem dritten inneren Hohlraum 61 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 zu messen. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
Im Messgegenstandsgasströmungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum offen ist, und ein Messgegenstandsgas wird durch die Gaseinlassöffnung 10 aus dem Außenraum in das Sensorelement 101 geleitet. Der erste diffusionsgesteuerte Abschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, das durch die Gaseinlassöffnung 10 eingeleitet wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der vorgesehen ist, um das vom ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11 eingeleitete Messgegenstandsgas zum zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 zu leiten. Der zweite diffusionsgesteuerte Abschnitt 13 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das vom Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitete Messgegenstandsgas ausübt. Wenn das Messgegenstandsgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet wird, wird das Messgegenstandsgas, das aufgrund von Druckschwankungen des Messgegenstandsgases im Außenraum (aufgrund der Pulsation des Auspuffdrucks, wenn das Messgegenstandsgas das Auspuffgas eines Kraftfahrzeugs ist) durch die Gaseinlassöffnung 10 schnell in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet, sondern, nachdem die Druckschwankungen des Messgegenstandsgases durch den ersten diffusionsgesteuerten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 ausgeglichen wurden, wird das Messgegenstandsgas in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleitet. Bei dieser Konfiguration sind Druckschwankungen des in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeleiteten Messgegenstandsgases nahezu ignorierbar. Der erste innere Hohlraum 20 dient als Raum zur Einstellung eines Sauerstoffpartialdrucks im Messgegenstandsgas, das durch den zweiten diffusionsgesteuerten Abschnitt 13 eingeleitet wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpenzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpenzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpenzelle, die aus einer inneren Pumpenelektrode 22 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 22a, der fast über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, dem ersten inneren Hohlraum 20 zugewandt ist, der äußeren Pumpenelektrode 23, die so vorgesehen ist, dass sie in eine Region der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die dem Deckenelektrodenabschnitt 22a entspricht, dem Außenraum ausgesetzt ist, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die von diesen Elektroden eingeschlossen ist, besteht.
Die innere Pumpenelektrode 22 ist über der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 definieren, und der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bildet, ausgebildet. Insbesondere ist der Deckenelektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, der eine Deckenoberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, der eine Bodenoberfläche bildet, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt) auf der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet ist, wodurch beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 gebildet werden, um diesen Deckenelektrodenabschnitt 22a und den Bodenelektrodenabschnitt 22b zu verbinden, und die innere Pumpenelektrode 22 mit einer Struktur in einer Tunnelform an einem Abschnitt angeordnet ist, wo der Seitenelektrodenabschnitt angeordnet ist.
Die innere Pumpenelektrode 22 und die äußere Pumpenelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermet-Elektrode ausgebildet (zum Beispiel eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO₂ mit einem Au-Gehalt von 1 Prozent). Die innere Pumpenelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, wird unter Verwendung eines Materials hergestellt, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas gesenkt ist.
Indem ein Pumpenstrom Ip0 in positiver oder negativer Richtung zwischen der inneren Pumpenelektrode 22 und der äußeren Pumpenelektrode 23 fließt, indem eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Pumpenelektrode 22 und der äußeren Pumpenelektrode 23 angelegt wird, ist die Hauptpumpenzelle 21 in der Lage, Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff in den Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 zu pumpen.
Um eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in einer Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu detektieren, besteht eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80, aus der inneren Pumpenelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42.
Eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messung einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpenstrom Ip0 durch eine Rückkopplungssteuerung der Pumpenspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 so gesteuert, dass die Spannung V0 zu einem Zielwert wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf einem vorbestimmten konstanten Wert zu halten.
Der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpenzelle 21 im ersten inneren Hohlraum 20 gesteuert wird, um das Messgegenstandsgas zum zweiten inneren Hohlraum 40 zu leiten.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als ein Raum vorgesehen, der dazu dient, den Sauerstoffpartialdruck weiter einzustellen, indem eine Hilfspumpenzelle 50 für das Messgegenstandsgas verwendet wird, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im ersten inneren Hohlraum 20 im Voraus eingestellt und dann durch den dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 eingeführt wird. Mit dieser Konfiguration ist es möglich, die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 mit hoher Genauigkeit auf einem konstanten Wert zu halten, so dass es möglich ist, eine hochgenaue NOx-Konzentration mit dem Gassensor 100 zu messen.
Die Hilfspumpenzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpenzelle, die aus einer Hilfspumpenelektrode 51 mit einem Deckenelektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen über die gesamte untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen ist, der dem zweiten inneren Hohlraum 40 zugewandt ist, der äußeren Pumpenelektrode 23 (die nicht auf die äußere Pumpenelektrode 23 beschränkt ist, und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann verwendet werden) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 besteht.
Die Hilfspumpenelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer Struktur in einer ähnlichen Tunnelform wie die der inneren Pumpenelektrode 22 angeordnet, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 vorgesehen ist. Mit anderen Worten, die Hilfspumpenelektrode 51 hat eine solche Struktur in einer Tunnelform, dass ein Deckenelektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist, die die Deckenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, ein Bodenelektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist, die die Bodenoberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht dargestellt), der diesen Deckenelektrodenabschnitt 51a und Bodenelektrodenabschnitt 51b verbindet, auf jeder der beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet ist, die eine Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Die Hilfspumpenelektrode 51 wird ebenso wie die innere Pumpenelektrode 22 unter Verwendung eines Materials gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas herabgesetzt ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpenelektrode 51 und der äußeren Pumpenelektrode 23 ist die Hilfspumpenzelle 50 in der Lage, Sauerstoff aus einer Atmosphäre in den zweiten inneren Hohlraum 40 in den Außenraum zu pumpen oder Sauerstoff aus dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 zu pumpen.
Um einen Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu steuern, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Hilfspumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81, aus der Hilfspumpenelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 gebildet.
Die Hilfspumpenzelle 50 pumpt mit einer variablen Stromversorgung 52, deren Spannung gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die von der Hilfspumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 erfasst wird. Mit dieser Konfiguration wird der Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre im zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck gesteuert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Zusammen mit diesem wird sein Pumpenstrom Ip1 verwendet, um die elektromotorische Kraft der Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zu steuern. Insbesondere wird der Pumpenstrom Ip1 in die Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 als ein Steuersignal eingegeben und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird so gesteuert, dass er konstant unverändert ist, indem der vorstehend beschriebene Zielwert der Spannung V0 gesteuert wird. Bei Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpenzelle 21 und der Hilfspumpenzelle 50 auf einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorbestimmten Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpenzelle 50 im zweiten inneren Hohlraum 40 gesteuert wird, um das Messgegenstandsgas zum dritten inneren Hohlraum 61 zu leiten. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 spielt eine Rolle bei der Begrenzung der NOx-Menge, die in den dritten inneren Hohlraum 61 fließt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als ein Raum vorgesehen, der zur Durchführung eines Verfahrens verwendet wird, das sich auf die Messung einer Stickoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas bezieht, wobei die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) des Messgegenstandsgases im zweiten inneren Hohlraum 40 im Voraus eingestellt und dann durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 eingeleitet wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird hauptsächlich durch den Betrieb einer Messpumpenzelle 41 im dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
Die Messpumpenzelle 41 misst die NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpenzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpenzelle, die aus einer Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen ist, dem dritten inneren Hohlraum 61 zugewandt ist, der äußeren Pumpenelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 besteht. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode aus einem Material, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten im Messgegenstandsgas im Vergleich zur inneren Pumpenelektrode 22 erhöht ist. Die Messelektrode 44 fungiert auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das in der Atmosphäre im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene NOx reduziert.
Insbesondere ist die Messelektrode 44 eine Elektrode, die mindestens eines von Pt und Rh enthält, das ein katalytisch aktives Edelmetall ist. Die Messelektrode 44 ist vorzugsweise eine Elektrode, die aus einem Cermet besteht, das mindestens eines von Pt und Rh und ein sauerstoffionenleitendes Oxid (hier ZrO₂) enthält. Außerdem ist die Messelektrode 44 vorzugsweise ein poröser Körper. In dieser Ausführungsform ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermet-Elektrode, die aus Pt, Rh und ZrO₂ besteht.
Die Messpumpenzelle 41 ist in der Lage, Sauerstoff abzupumpen, der als Ergebnis der Zersetzung von Stickoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 herum erzeugt wird, und die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpenstrom Ip2 zu erfassen.
Um einen Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 herum zu detektieren, wird eine elektrochemische Sensorzelle, d.h. eine Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 gebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die von der Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird.
Ein in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitetes Messgegenstandsgas erreicht die Messelektrode 44 im dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 60 in einer Situation, in der der Sauerstoffpartialdruck gesteuert wird. Die Stickoxide im Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2NO → N₂ + O₂), um Sauerstoff zu erzeugen. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpenzelle 41 gepumpt werden. Zu diesem Zeitpunkt wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die von der Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 erfasste Spannung V2 konstant ist (Zielwert). Die um die Messelektrode 44 herum erzeugte Sauerstoffmenge ist proportional zur Konzentration der Stickoxide im Messgegenstandsgas, so dass eine Stickoxidkonzentration im Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpenstroms Ip2 in der Messpumpenzelle 41 berechnet wird.
Eine elektrochemische Sensorzelle 83 besteht aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der äußeren Pumpenelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 und es ist möglich, einen Sauerstoffpartialdruck in einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors unter Verwendung einer von der Sensorzelle 83 erhaltenen elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) zu erfassen.
In dem so konfigurierten Gassensor 100 wird der Messpumpenzelle 41 durch den Betrieb der Hauptpumpenzelle 21 und der Hilfspumpenzelle 50 ein Messgegenstandsgas zugeführt, dessen Sauerstoffpartialdruck auf einem konstant gleichbleibend niedrigen Wert gehalten wird (ein Wert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst). Daher ist es möglich, eine NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas in Übereinstimmung mit einem Pumpenstrom Ip2 zu ermitteln, der infolge des Abpumpens von Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx entsteht, durch die Messpumpenzelle 41 im Wesentlichen proportional zu einer NOx-Konzentration im Messgegenstandsgas fließt.
Darüber hinaus enthält das Sensorelement 101 den Heizerabschnitt 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung zur Aufrechterhaltung der Temperatur des Sensorelements 101 durch Erhitzen spielt, um die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu erhöhen. Der Heizerabschnitt 70 enthält eine Heizer-Verbindungselektrode 71, einen Heizer 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizer-Isolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
Die Heizer-Verbindungselektrode 71 ist eine Elektrode, die so geformt ist, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt steht. Die Verbindung der Heizer-Verbindungselektrode 71 an eine externe Stromversorgung ermöglicht die Zufuhr von elektrischer Energie von außen zum Heizerabschnitt 70.
Der Heizer 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so geformt ist, dass er von der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 von den Ober- und Unterseiten her eingebaut wird. Der Heizer 72 ist über das Durchgangsloch 73 mit der Heizer-Verbindungselektrode 71 verbunden und wird von einer Heizer-Stromversorgung 76 (siehe 2) mit elektrischer Energie versorgt, um Wärme zu erzeugen, um die Temperatur des Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, zu erhöhen und zu halten.
Der Heizer 72 ist in der gesamten Region vom ersten inneren Hohlraum 20 bis zum dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei der der Festelektrolyt aktiviert wird.
Die Heizer-Isolierschicht 74 ist eine elektrisch isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material, wie Aluminiumoxid, auf den oberen und unteren Oberflächen des Heizers 72 gebildet wird. Die Heizer-Isolierschicht 74 wird gebildet, um eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der zweiten Substratschicht 2 und dem Heizer 72 und eine elektrische Isoliereigenschaft zwischen der dritten Substratschicht 3 und dem Heizer 72 zu erreichen.
Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so vorgesehen ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Atmosphäreneinlassschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgaseinlassraum 43 in Verbindung steht. Das Druckablassloch 75 ist zum Zweck der Verringerung eines Anstiegs des Innendrucks infolge eines Temperaturanstiegs in der Heizisolierschicht 74 ausgebildet.
Wie in 2 gezeigt, enthält die Steuereinrichtung 90 die vorstehend beschriebenen variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, die Heizer-Stromversorgung 76 und einen Controller 91. Der Controller 91 ist ein Mikroprozessor mit einer CPU 92, einem Speicherbereich 94 und dergleichen. Der Speicherbereich 94 ist zum Beispiel eine Vorrichtung, die verschiedene Programme und Daten speichert. Der Controller 91 empfängt eine Eingabe der Spannung V0, die von der Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 erfasst wird, der Spannung V1, die von der Hilfspumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 erfasst wird, der Spannung V2, die von der Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, der Spannung Vref, die von der Sensorzelle 83 erfasst wird, des Pumpenstroms Ip0, der von der Hauptpumpenzelle 21 erfasst wird, des Pumpenstroms Ip1, der von der Hilfspumpenzelle 50 erfasst wird und des Pumpenstroms Ip2, der von der Messpumpenzelle 41 erfasst wird. Der Controller 91 steuert die von den variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgegebenen Spannungen Vp0, Vp1, Vp2, indem er ein Steuersignal an die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgibt, um dadurch die Hauptpumpenzelle 21, die Messpumpenzelle 41 und die Hilfspumpenzelle 50 zu steuern. Der Controller 91 steuert den elektrischen Strom, der dem Heizer 72 von der Heizer-Stromversorgung 76 zugeführt wird, indem er ein Steuersignal an die Heizer-Stromversorgung 76 ausgibt. Der Speicherbereich 94 speichert auch die später beschriebenen Zielwerte V0*, V1*, V2a*, V2b* und dergleichen. Die CPU 92 des Controllers 91 steuert die Zellen 21, 41, 50 unter Bezugnahme auf diese Zielwerte V0*, V1*, V2a*, V2b*.
Der Controller 91 führt ein Hilfspumpen-Steuerungsverfahren zur Steuerung der Hilfspumpenzelle 50 aus, so dass die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 eine Zielkonzentration erreicht. Insbesondere steuert der Controller 91 die Hilfspumpenzelle 50, indem er eine Rückkopplungssteuerung für die Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 ausführt, so dass die Spannung V1 einen konstanten Wert (als Zielwert V1* bezeichnet) erreicht. Der Zielwert V1* ist als der Wert definiert, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorbestimmte niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, die die Messung von NOx nicht wesentlich beeinträchtigt.
Der Controller 91 führt ein Hauptpumpen-Steuerungsverfahren zur Steuerung der Hauptpumpenzelle 21 aus, so dass der Pumpenstrom Ip1, der zum Zeitpunkt der Einstellung der Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Hilfspumpenzelle 50 fließt, durch das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren einen Zielstrom (als Zielwert Ip1* bezeichnet) erreicht. Insbesondere nimmt der Controller 91 eine Einstellung (Rückkopplungssteuerung) eines Zielwertes (als Zielwert V0* bezeichnet) der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip1 vor, so dass der durch die Spannung Vp1 fließende elektrische Pumpenstrom Ip1 einen konstanten Zielstrom Ip1* erreicht. Der Controller 91 führt dann eine Rückkopplungssteuerung der Pumpenspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 durch, so dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Zielkonzentration). Der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgegenstandsgas, das aus dem dritten diffusionsgesteuerten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeleitet werden soll, wird durch das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren konstant gehalten. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % ist und eine niedrige Sauerstoffkonzentration aufweist. Der Pumpenstrom Ip0, der während des Hauptpumpen-Steuerungsverfahrens fließt, variiert in Abhängigkeit von der Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas (d.h. ein Messgegenstandsgas in der Umgebung des Sensorelements 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messgegenstandsgasströmungsabschnitt strömt. Somit kann der Controller 91 auch die Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip0 ermitteln.
Das vorstehend beschriebene Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren werden auch gemeinsam als Einstellpumpen-Steuerungsverfahren bezeichnet. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 werden auch gemeinsam als Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer bezeichnet. Die Hauptpumpenzelle 21 und die Hilfspumpenzelle 50 werden auch gemeinsam als Einstellpumpenzelle bezeichnet. Der Controller 91 führt das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren aus, wodurch die Einstellpumpenzelle die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einstellt.
Darüber hinaus führt der Controller 91 ein Messpumpensteuerungsverfahren aus, bei dem die Messpumpenzelle 41 so gesteuert wird, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert (Zielwert) erreicht (d.h., dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorbestimmte niedrige Konzentration erreicht). Insbesondere steuert der Controller 91 die Messpumpenzelle 41, indem er die Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 ausführt, so dass die Spannung V2 einen Zielwert erreicht. Durch das Messpumpensteuerungsverfahren wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 gepumpt. Als Messpumpensteuerungsverfahren führt der Controller 91 das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren aus, das während der normalen Betriebszeit des Sensorelements 101 ausgeführt wird, und das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren, das zur Startzeit des Sensorelements 101 vor der normalen Betriebszeit ausgeführt wird. Das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren und das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren haben unterschiedliche Zielwerte für die Spannung V2. Ein Zielwert der Spannung V2 in dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren wird als Startzeit-Zielwert V2a* bezeichnet. Ein Zielwert für die Spannung V2 bei dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren wird als Normalzeit-Zielwert V2b* bezeichnet. Der Startzeit-Zielwert V2a* wird auf einen höheren Wert als der Normalzeit-Zielwert V2b* eingestellt. Das heißt, V2a* und V2b* werden so eingestellt, dass V2a* > V2b* ist. Dabei ist die Spannung V2 ein Wert, der mit der Differenz der Sauerstoffkonzentration zwischen der Umgebung der Referenzelektrode 42 und dem dritten inneren Hohlraum 61 verbunden ist. Je niedriger die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto größer ist die Differenz in der Sauerstoffkonzentration, und die Spannung V2 hat auch einen höheren Wert. Daher zeigt der Startzeit-Zielwert V2a*, der einen höheren Wert als der Normalzeit-Zielwert V2b* aufweist, an, dass zum Zeitpunkt der Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens ein Zielwert für die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 auf einen niedrigeren Wert gesetzt wird, verglichen mit dem Zeitpunkt der Ausführung des Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens. In der vorliegenden Ausführungsform wird der Normalzeit-Zielwert V2b* auf 400 mV und der Startzeit-Zielwert V2a* auf 600 mV eingestellt.
Die Ausführung des Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens bewirkt, dass Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 herausgepumpt wird, so dass der durch die Reduktion von NOx in einem Messgegenstandsgas im dritten inneren Hohlraum 61 erzeugte Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Der Controller 91 erhält einen Pumpenstrom Ip2 als einen detektierten Wert entsprechend dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem bestimmten Gas (hier NOx) erzeugt wird, und berechnet die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip2.
Der Speicherbereich 94 speichert einen relationalen Ausdruck (z.B. einen Ausdruck einer linearen Funktion) und eine Karte als Korrespondenzbeziehung zwischen dem Pumpenstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher relationaler Ausdruck und eine solche Karte können im Voraus durch ein Experiment ermittelt werden.
Es wird ein Beispiel für das Startzeitsteuerungsverfahren beschrieben, bei dem es sich um einen Verfahren handelt, das zur Startzeit des Sensorelements 101 durch den Controller 91 des so konfigurierten Gassensors 100 ausgeführt wird. 3 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für das Startzeitsteuerungsverfahren zeigt. 4 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten des Startzeitsteuerungsverfahrens und des Normalzeitsteuerungsverfahrens zeigt.
Wenn das Startzeitsteuerungsverfahren gestartet wird, startet die CPU 92 des Controllers 91 zunächst ein Heizersteuerungsverfahren, bei dem der Heizer 72 mit Strom versorgt wird, um zu bewirken, dass der Heizer 72 Wärme erzeugt, so dass eine Heizertemperatur Th, die die Temperatur des Heizers 72 ist, eine Zieltemperatur Th* erreicht (Schritt S100). Die Heizertemperatur Th kann durch einen Ausdruck einer linearen Funktion des Widerstandswerts des Heizers 72 dargestellt werden. Somit berechnet die CPU 92 in dem Heizersteuerungsverfahren der vorliegenden Ausführungsform den Widerstandswert des Heizers 72 und führt eine Rückkopplungssteuerung der Heizer-Stromversorgung 76 aus, so dass der berechnete Widerstandswert einen Zielwiderstandswert erreicht (Widerstandswert entsprechend der Zieltemperatur Th*). Die CPU 92 erhält beispielsweise die Spannung des Heizers 72 und den Strom, der durch den Heizer 72 fließt, und kann den Widerstandswert des Heizers 72 auf der Grundlage der erhaltenen Spannung und des Stroms berechnen. Die CPU 92 kann den Widerstandswert des Heizers 72 z.B. nach dem 3-Terminal-Verfahren oder dem 4-Terminal-Verfahren berechnen. Die CPU 92 gibt ein Steuersignal an die Heizer-Stromversorgung 76 aus und führt eine Rückkopplungssteuerung für den von der Heizer-Stromversorgung 76 gelieferten elektrischen Strom durch, so dass der berechnete Widerstandswert des Heizers 72 einen Zielwiderstandswert erreicht. Die Heizer-Stromversorgung 76 passt die dem Heizer 72 zugeführte elektrische Leistung an, indem sie beispielsweise den Wert der an den Heizer 72 angelegten Spannung ändert. Wie in 4 gezeigt, steigt die Heizertemperatur Th, wenn das Heizersteuerungsverfahren zum Zeitpunkt t0 gestartet wird, im Laufe der Zeit auf die Zieltemperatur Th* an, und nach dem Zeitpunkt t2, zu dem die Heizertemperatur Th die Zieltemperatur Th* erreicht, wird die Heizertemperatur Th in der Nähe der Zieltemperatur Th* gehalten. Die Zieltemperatur Th* wird im Voraus als eine Temperatur (z.B. 800°C) festgelegt, bei der der Festelektrolyt des Sensorelements 101 ausreichend aktiviert ist. Zur Vereinfachung der Erläuterung in 4 wird die zeitliche Änderung der Heizertemperatur Th durch eine gerade Linie dargestellt, aber in der Praxis kann die Heizertemperatur Th kurvenförmig ansteigen, und es kann zu einem Überschwingen der Heizertemperatur Th kommen, bevor sie in der Nähe der Zieltemperatur Th* stabilisiert ist.
Nachdem das Heizersteuerungsverfahren in Schritt S100 gestartet wurde, bestimmt die CPU 92, ob eine Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, ob die Heizertemperatur Th einen vorbestimmten Schwellenwert Thref überschritten hat oder nicht (Schritt S110), und wenn ein Bestimmungsergebnis eine positive Bestimmung anzeigt, geht die CPU 92 davon aus, dass die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist. Der Schwellenwert Thref ist ein Wert, der kleiner oder gleich der Zieltemperatur Th* ist, und kann ein Wert kleiner als die Zieltemperatur Th* sein. Der Schwellenwert Thref wird im Voraus als der untere Grenzwert der Heizertemperatur Th definiert, der erforderlich ist, um den Festelektrolyten (die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 in der vorliegenden Ausführungsform), der in der Messpumpenzelle 41, die durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gesteuert wird, enthalten ist, zu aktivieren (Ionenleitfähigkeit des Festelektrolyten zu entwickeln). Der Schwellenwert Thref kann beispielsweise im Voraus durch ein Experiment als unterer Grenzwert der Heizertemperatur Th definiert werden, die erforderlich ist, um die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 auf 600°C oder höher zu erhitzen. Alternativ kann der Schwellenwert Thref als der Wert definiert werden, der sich aus der Multiplikation der Zieltemperatur Th* mit einer vorgegebenen Rate (Wert kleiner als 1) ergibt. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwellenwert Thref = 0,8×Th*. Mit anderen Worten: die CPU 92 bestimmt, dass die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist, wenn die Heizertemperatur Th eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich 80 % der Zieltemperatur Th* ist.
Wenn in Schritt S110 eine negative Feststellung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S110 wiederholt aus, bis eine positive Feststellung getroffen wird. Wenn in Schritt S110 eine positive Feststellung getroffen wird, startet die CPU 92 das vorstehend beschriebenen Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren (Schritt S120). Im Beispiel von 4 erreicht die Heizertemperatur Th den Schwellenwert Thref zum Zeitpunkt t1 vor dem Zeitpunkt t2, so dass die CPU 92 das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zum Zeitpunkt t1 beginnt. Wenn das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet ist, führt die CPU 92 eine Rückkopplungssteuerung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 aus, so dass die Spannung V2 den Startzeit-Zielwert V2a* erreicht, wodurch die Messpumpenzelle 41 gesteuert wird. Durch Anlegen der Spannung Vp2 kann die Messpumpenzelle 41 den im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandenen Sauerstoff in die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23 abpumpen. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein der Menge des abgepumpten Sauerstoffs entsprechender Pumpenstrom Ip2 durch die Messpumpenzelle 41. Hier wird vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 ein Zustand (z.B. eine Luftatmosphäre) erreicht, in dem viel Sauerstoff (Sauerstoff, der nicht aus einem bestimmten Gas erzeugt wird) im Messgegenstandsgasströmungsabschnitt einschließlich des dritten inneren Hohlraums 61 vorhanden ist. Die Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens ermöglicht es, dass dieser Sauerstoff in die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23 gepumpt wird. Wie der Graph (durchgezogene Linie) des Pumpenstroms Ip2 im Beispiel in 4 zeigt, wird der Pumpenstrom Ip2 ab dem Zeitpunkt t1 schnell erhöht, und es fließt ein relativ hoher Pumpenstrom Ip2. Der Sauerstoff, der seit vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, enthält insbesondere die Sauerstoffmoleküle (O₂), die in dem Raum in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden sind, die Sauerstoffmoleküle (O₂), die an der Oberfläche der Messelektrode 44 haften, und den Sauerstoff, der an das Bestandteilsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform enthält die Messelektrode 44 Rh und Pt, so dass mindestens eines von Rh₂O₃ und PtO₂ in der Messelektrode 44 vorhanden sein kann. Der Sauerstoff (O) in Rh₂O₃ und PtO₂ ist der Sauerstoff, der an das Bestandteilsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist. Nicht nur Sauerstoffmoleküle, sondern auch der Sauerstoff, der an das Bestandteilsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist, kann durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren herausgepumpt werden, wodurch Rh₂O₃ und PtO₂ reduziert werden. In der vorliegenden Ausführungsform hat die Messelektrode 44 einen porösen Körper, so dass Sauerstoffmoleküle (O₂) in offenen Poren und geschlossenen Poren der Messelektrode 44 vorhanden sein können, und diese Sauerstoffmoleküle können auch durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren herausgepumpt werden. In der vorliegenden Ausführungsform startet die CPU 92 das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren sowie das vorstehend beschriebene Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren). Infolgedessen wird der Sauerstoff, der sich in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer (dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40) bereits vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 befunden hat, auch in die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23 gepumpt. Daher werden der Pumpenstrom Ip0 und der Pumpenstrom Ip1 ab dem Zeitpunkt t1 schnell erhöht, und es fließen relativ hohe Pumpenströme Ip0 und Ip1. Es ist zu beachten, dass der Pumpenstrom Ip0 in 4 nicht dargestellt ist. Der Einfachheit halber ist der Pumpenstrom Ip1 in 4 niedriger als der Pumpenstrom Ip2 dargestellt; die tatsächliche Größenbeziehung zwischen den Pumpenströmen ist jedoch grundsätzlich Ip0> Ip1> Ip2.
Nachdem das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in Schritt S120 gestartet wurde, bestimmt die CPU 92, ob eine Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, ob die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle stabilisiert ist oder nicht (Schritt S130), und wenn ein Bestimmungsergebnis eine positive Bestimmung anzeigt, nimmt die CPU 92 an, dass die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist. Genauer gesagt, wenn festgestellt wird, dass der Pumpenstrom Ip1 ungefähr bei dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist, stellt die CPU 92 fest, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist.
Wenn zum Beispiel, wie in 4 gezeigt, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren, das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren zum Zeitpunkt t1 gestartet werden, wie vorstehend beschrieben, werden die Pumpenströme Ip1, Ip2 (und der Pumpenstrom Ip0) schnell erhöht und haben relativ hohe Werte. Wenn also der Sauerstoff im Messgegenstandsgasströmungsabschnitt abgepumpt wird, nähert sich die Spannung V2 dem Startzeit-Zielwert V2a*, die Spannung V1 dem Zielwert V1* und der Pumpenstrom Ip1 dem Zielstrom Ip1*, so dass die Pumpenströme Ip1, Ip2 (und der Pumpenstrom Ip0) einmal erhöht, dann allmählich verringert werden. Wenn der Sauerstoff, der sich seit vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt befunden hat, ausreichend abgepumpt ist (Zeitpunkt t3), stabilisiert sich die Spannung V1 im Wesentlichen auf demselben Wert wie der Zielwert V1*, und der Pumpenstrom Ip1 stabilisiert sich im Wesentlichen auf demselben Wert wie der Zielstrom Ip1* (die Darstellung der Spannung V1 ist in 4 weggelassen). Da der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 miteinander in Verbindung stehen, kann nicht nur der Sauerstoff im zweiten inneren Hohlraum 40, sondern auch der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 durch den Betrieb der Hilfspumpenzelle 50 entfernt werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 auf eine Höhe nahe der Zielkonzentration (eine Sauerstoffkonzentration, die dem Zielwert V1* der Spannung V1 entspricht) vermindert wird, kann in dem Fall, in dem die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 höher ist als eine Zielkonzentration (eine Sauerstoffkonzentration, die dem Startzeit-Zielwert V2a* der Spannung V2 entspricht), der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 zurück zum zweiten inneren Hohlraum 40 diffundieren (zurückströmen), und der Sauerstoff kann durch die Hilfspumpenzelle 50 herausgepumpt werden. Wenn also die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer (der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40) stabilisiert ist, mit anderen Worten, wenn der Pumpenstrom Ip1 etwa auf dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist, ist der Sauerstoff, der sich seit der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 im dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, ausreichend abgepumpt worden. Daher ist es möglich, zu bestimmen, ob der Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 seit vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 vorhanden war, ausreichend herausgepumpt wurde oder nicht, basierend darauf, ob der Pumpenstrom Ip1 bei etwa dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist oder nicht. Bei der Bestimmung in Schritt S130 kann die CPU 92, wenn der Pumpenstrom Ip1 einmal auf eine Höhe kleiner als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert erhöht und verringert wird, bestimmen, dass der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* stabilisiert ist. Der vorbestimmte Schwellenwert ist in diesem Fall ein Wert, der es ermöglicht, festzustellen, dass der Pumpenstrom Ip1 auf eine Höhe in der Nähe des Zielstroms Ip1* gesunken ist. Der Wert kann im Voraus als eine Höhe definiert werden, die größer als oder gleich dem Zielstrom Ip1* ist, wie der gleiche Wert wie der Zielstrom Ip1* oder der Wert, der um 5 % größer als der Zielstrom Ip1* ist. Alternativ dazu kann die CPU 92, wenn ein Zustand, in dem der Pumpenstrom Ip1 einen Wert in einem vorbestimmten Bereich hat, für eine vorbestimmte Zeit oder länger anhält, bestimmen, dass der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* herum stabilisiert ist. Der vorbestimmte Bereich ist in diesem Fall ein Bereich, der es erlaubt, zu bestimmen, dass der Pumpenstrom Ip1 ein Wert um den Zielstrom Ip1* ist, und der im Voraus beispielsweise als der Bereich innerhalb von ±5% des Zielstroms Ip1* definiert werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform bestimmt die CPU 92, wenn der Pumpenstrom Ip1 einmal auf eine Höhe kleiner als oder gleich dem Zielstrom Ip1* erhöht und verringert wird (zum Zeitpunkt t3 in 4), dass der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* herum stabilisiert ist.
Wenn in Schritt S130 eine negative Feststellung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S130 wiederholt aus, bis eine positive Feststellung getroffen wird. Wenn in Schritt S130 eine positive Feststellung getroffen wird, beendet die CPU 92 das vorstehend beschriebene Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren und startet das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren (Schritt S140), um das Startzeitsteuerungsverfahren zu beenden. Somit wird das von der CPU 92 ausgeführte Verfahren von dem Startzeitsteuerungsverfahren zum Normalzeitsteuerungsverfahren verschoben. Im Normalzeitsteuerungsverfahren führt die CPU 92 das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren sowie das vorstehend beschriebene Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) kontinuierlich ab dem Startzeitsteuerungsverfahren aus. Die CPU 92 berechnet dann die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip2, der durch das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren fließt. Im Beispiel von 4 wird der Pumpenstrom Ip1 bis zum Zeitpunkt t3 nicht stabilisiert, so dass die CPU 92 in Schritt S130 eine negative Bestimmung vornimmt, und zum Zeitpunkt t3 stellt die CPU 92 fest, dass der Pumpenstrom Ip1 stabilisiert ist, und nimmt in Schritt S130 eine positive Bestimmung vor. Somit startet die CPU 92 das Normalzeitsteuerungsverfahren ab dem Zeitpunkt t3.
Wie in 4 gezeigt, wird während der Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens (Zeitpunkt t1 bis t3) der Sauerstoff, der seit vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, herausgepumpt, so dass der Pumpenstrom Ip2 einen hohen Wert erreicht, und der Wert des Pumpenstroms Ip2 spiegelt keinen Wert wider, der der NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas entspricht. Nach dem Zeitpunkt t3, wenn das Abpumpen von Sauerstoff durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ausreichend durchgeführt wird, wird im Wesentlichen der gesamte im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandene Sauerstoff aus dem NOx in einem Messgegenstandsgas erzeugt, so dass der Wert des Pumpenstroms Ip2 der NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas entspricht. Aus diesem Grund ist nach dem Zeitpunkt t3 die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip2 nachweisbar. Die Anspringzeit ist somit der Zeitpunkt (t0 bis t3) von der Startzeit des Sensorelements 101 bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Wert des Pumpenstroms Ip2 die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas widerspiegelt. Zum besseren Verständnis des Verhaltens des Pumpenstroms Ip2 ist in 4 dargestellt, wie die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas konstant ist und nach dem Zeitpunkt t3 ist der Pumpenstrom Ip2 konstant. Wenn das Sensorelement 101 tatsächlich verwendet wird, schwankt die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas jeden Moment, so dass nach dem Zeitpunkt t3 der Wert des Pumpenstroms Ip2 entsprechend der NOx-Konzentration variiert. Daher ist es schwierig zu bestimmen, ob das Sensorelement 101 auf der Grundlage des Wertes des Pumpenstroms Ip2 ausgeschaltet ist oder nicht. Daher bestimmt die CPU 92 in der vorliegenden Ausführungsform, wie vorstehend beschrieben, auf der Grundlage des Wertes des Pumpenstroms Ip1 und nicht des Pumpenstroms Ip2, ob die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht.
In der vorliegenden Ausführungsform wird zur Startzeit des Sensorelements 101, wie vorstehend beschrieben, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zum Abpumpen des Sauerstoffs im dritten inneren Hohlraum 61 durch Steuerung der Messpumpenzelle 41 ausgeführt, so dass die Spannung V2 den Startzeit-Zielwert V2a* erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Zielwert V2b*. Das heißt, dass der Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 bei dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren mit einem Zielwert für die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 abgepumpt wird, der niedriger als der Wert während der normalen Betriebszeit eingestellt ist. Somit kann der Sauerstoff, der sich seit der Startzeit des Sensorelements 101 in dem dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, schnell aus dem dritten inneren Hohlraum 61 entfernt werden, wenn das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vor der Inbetriebnahme ausgeführt wird. Zum Beispiel zeigt das Diagramm (gestrichelte Linie) des Pumpenstroms Ip2 in dem in 4 dargestellten Vergleichsbeispiel die zeitliche Änderung des Pumpenstroms Ip2, wenn das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt wird sowie das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren anstelle des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt wird. In diesem Fall wird die Messpumpenzelle 41 so gesteuert, dass die Spannung V2 den Normalzeit-Zielwert V2b* erreicht, der niedriger ist als der Startzeit-Zielwert V2a*, so dass im Vergleich zum Diagramm (durchgezogene Linie) des Pumpenstroms Ip2 im Beispiel der Pumpenstrom Ip2 einen kleineren Wert aufweist und weniger Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 herausgepumpt wird. Somit wird der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 zum Zeitpunkt t4 später als zum Zeitpunkt t3 ausreichend abgepumpt. Mit anderen Worten, die Anspringzeit ist im Vergleichsbeispiel länger als im Beispiel. Auf diese Weise wird in der vorliegenden Ausführungsform, wenn das Sensorelement 101 gestartet wird, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren anstelle des Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens ausgeführt, wodurch die Anspringzeit des Sensorelements 101 vermindert werden kann. Man beachte, auch wenn dies nicht dargestellt wird, dass wenn das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren und das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) ab dem Zeitpunkt t1 ausgeführt werden, die Zeit, bis der Pumpenstrom Ip1 ungefähr auf dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist, auch der Zeitpunkt t4 später als der Zeitpunkt t3 ist.
Man beachte, dass in 4 der Zeitpunkt, zu dem der Pumpenstrom Ip2 konstant wird (der Zeitpunkt, zu dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird), und der Zeitpunkt, zu dem sich der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* stabilisiert hat, derselbe Zeitpunkt t3 sind. In der Praxis ist jedoch in einigen Fällen der Zeitpunkt, zu dem der Pumpenstrom Ip1 auf dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist, etwas früher als der Zeitpunkt t3. Wie vorstehend beschrieben, kann die Hilfspumpenzelle 50 auch den Sauerstoff abpumpen, der aus dem dritten inneren Hohlraum 61 in den zweiten inneren Hohlraum 40 zurückgeströmt ist. Die Hilfspumpenzelle 50 kann jedoch den Sauerstoff, der an das Bestandteilsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist, und die Sauerstoffmoleküle, die sich in den geschlossenen Poren der Messelektrode 44 befinden, nicht herauspumpen, da dieser Sauerstoff nicht zurückfließt. Nachdem sich der Pumpenstrom Ip1 auf etwa den Zielstrom Ip1* stabilisiert hat, kann dieser Sauerstoff, der nicht von der Hilfspumpenzelle 50 abgepumpt werden kann, von der Messpumpenzelle 41 abgepumpt werden, und das Sensorelement 101 kann zum ersten Mal ausgeschaltet werden. In diesem Fall fährt die CPU 92 vorzugsweise damit fort, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auszuführen, ohne den Schritt S140 während der Zeit auszuführen, bis das Sensorelement 101 ausgeschaltet ist, da der Pumpenstrom Ip1 ungefähr bei dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist. Beispielsweise kann die CPU 92 den Schritt S140 ausführen, nachdem eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist, seit die CPU 92 in Schritt S130 eine bestätigende Feststellung getroffen hat. Alternativ kann, wenn die CPU 92 in Schritt S130 eine bestätigende Feststellung vornimmt, nachdem ein Zustand, in dem der Pumpenstrom Ip1 einen Wert in einem vorbestimmten Bereich aufweist, für eine vorbestimmte Zeit oder länger anhält, die vorbestimmte Zeit auf eine Zeit gesetzt werden, die nahezu gleich der Zeit ist, bis das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird, da der Pumpenstrom Ip1 auf etwa dem Zielstrom Ip1* stabilisiert ist.
Hier wird die Korrespondenzbeziehung zwischen den Komponenten der vorliegenden Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung deutlich gemacht. Der Schichtkörper, in dem die sechs Schichten, nämlich die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 der vorliegenden Ausführungsform in dieser Reihenfolge laminiert sind, entspricht einem Elementkörper der vorliegenden Erfindung, die äußere Pumpenelektrode 23 entspricht einer äußeren Messelektrode, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Messelektrode 44 entspricht einer inneren Messelektrode, die Messpumpenzelle 41 entspricht einer Messpumpenzelle, die Referenzelektrode 42 entspricht einer Referenzelektrode, die Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 entspricht einer Messspannungs-Erfassungssensorzelle, das Sensorelement 101 entspricht einem Sensorelement, der Pumpenstrom Ip2 entspricht einem Messpumpenstrom und die Steuereinrichtung 90 entspricht einem Pumpenzellencontroller und einem spezifischen Gaskonzentrationserfassungsbereich. Die Steuereinrichtung 90 entspricht einem Heizercontroller, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer, die innere Pumpenelektrode 22 und die Hilfspumpenelektrode 51 entsprechen einer inneren Einstellpumpenelektrode, die äußere Pumpenelektrode 23 entspricht einer äußeren Einstellpumpenelektrode, die Hauptpumpenzelle 21 und die Hilfspumpenzelle 50 entsprechen einer Einstellpumpenzelle und das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren entsprechen einem Einstellpumpen-Steuerungsverfahren. Die innere Pumpenelektrode 22 entspricht einer inneren Hauptpumpenelektrode, die äußere Pumpenelektrode 23 entspricht einer äußeren Hauptpumpenelektrode, die Hilfspumpenelektrode 51 entspricht einer inneren Hilfspumpenelektrode, die äußere Pumpenelektrode 23 entspricht einer äußeren Hilfspumpenelektrode und der Pumpenstrom Ip1 entspricht einem Hilfspumpenstrom.
In dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform, die vorstehend im Einzelnen beschrieben ist, wird, wenn das Sensorelement 101 gestartet wird, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Abpumpens des Sauerstoffs in dem dritten inneren Hohlraum 61 ausgeführt, indem die Messpumpenzelle 41 so gesteuert wird, dass die Spannung V2 den Startzeit-Zielwert V2a* erreicht, der höher ist als der Normalzeit-Zielwert V2b*, so dass im Vergleich zu dem Fall, in dem das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren seit der Startzeit des Sensorelements 101 ausgeführt wird, der Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 seit vor der Inbetriebnahme vorhanden war, schnell entfernt werden kann. Daher wird die Anspringzeit des Sensorelements 101 vermindert.
Nachdem das Heizersteuerungsverfahren gestartet wurde, startet die CPU 92 das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren, wenn die Heiztemperatur Th eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Thref ist, der niedriger als oder gleich der Zieltemperatur Th* ist. Daher kann die CPU 92 den Startzeitpunkt für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf der Grundlage der Heizertemperatur Th angemessen bestimmen.
Darüber hinaus hat das Sensorelement 101 eine Einstellpumpenzelle, die die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einstellt, die auf der stromaufwärts gelegenen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts vorgesehen ist. Zur Startzeit des Sensorelements 101 führt die CPU 92 das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren des Betriebs der Einstellpumpenzelle aus und wenn sie auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle feststellt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, schaltet die CPU 92 von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren um. Hier nimmt vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 nicht nur der dritte innere Hohlraum 61, sondern auch die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer auf der stromaufwärts gelegenen Seite davon einen Zustand (wie eine Luftatmosphäre) an, in dem viel Sauerstoff (nicht aus einem bestimmten Gas erzeugter Sauerstoff) vorhanden ist. Zur Startzeit des Sensorelements 101 führt die CPU 92 ein Einstellpumpenzellensteuerungsverfahren aus, wodurch es möglich wird, auch den Sauerstoff zu entfernen, der sich seit der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer befunden hat. Da die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer und der dritte innere Hohlraum 61 miteinander in Verbindung stehen, kann der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 auch durch den Betrieb der Einstellpumpenzelle entfernt werden. Da die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer und der dritte innere Hohlraum 61, wie vorstehend erwähnt, miteinander kommunizieren, wird außerdem, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, auch der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt. Wenn also auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle festgestellt wird, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, wird das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umgeschaltet, wodurch es möglich wird, in geeigneter Weise vom Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umzuschalten.
Die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer weist den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40, der auf der stromabwärts gelegenen Seite des ersten inneren Hohlraums 20 und auf der stromaufwärts gelegenen Seite des dritten inneren Hohlraums 61 vorgesehen ist, auf und die Einstellpumpenzelle weist die Hauptpumpenzelle 21, die die Sauerstoffkonzentration im ersten inneren Hohlraum 20 einstellt, und die Hilfspumpenzelle 50, die die Sauerstoffkonzentration im zweiten inneren Hohlraum 40 einstellt, auf. Das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren beinhaltet: das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren, bei dem die Hilfspumpe 50 so gesteuert wird, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine Zielkonzentration erreicht; und das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren, bei dem die Hauptpumpenzelle 21 so gesteuert wird, dass der durch die Hilfspumpe 50 fließende Pumpenstrom Ip1 durch das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren den Zielstrom Ip1* erreicht. Wenn festgestellt wird, dass der Pumpenstrom Ip1 sich in der Nähe des Zielstroms Ip1* stabilisiert hat, schaltet die CPU 92 von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren um. Auf diese Weise ist es möglich, auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip1 in geeigneter Weise vom Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zum Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umzuschalten.
Die Messelektrode 44 enthält mindestens eines von Pt und Rh. Edelmetalle wie Pt und Rh können an den Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 gebunden werden, um oxidiert zu werden, und der Sauerstoff verringert die Genauigkeit der Erfassung der bestimmten Gaskonzentration, so dass es zur Startzeit des Sensorelements 101 notwendig ist, das Oxid des in der Messelektrode 44 enthaltenen Edelmetalls zu reduzieren und den Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 herauszupumpen. Es dauert länger, das Oxid des Edelmetalls zu reduzieren und den Sauerstoff abzupumpen, als die Sauerstoffmoleküle im dritten inneren Hohlraum 61 abzupumpen, so dass, wenn oxidiertes Edelmetall im dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden ist, die Anspringzeit wahrscheinlich zunimmt. In dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform wird bei der Startzeit des Sensorelements 101 durch die Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens anstelle des Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens ermöglicht, dass das oxidierte Edelmetall frühzeitig reduziert wird, wodurch die Anspringzeit verkürzt werden kann. In der vorliegenden Ausführungsform, in der die Messelektrode 44 Pt und Rh enthält, hat die Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens daher eine große Bedeutung.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und natürlich in verschiedenen Arten innerhalb des technischen Anwendungsbereichs der vorliegenden Erfindung umgesetzt werden kann.
Wenn beispielsweise in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform festgestellt wird, dass sich der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* stabilisiert hat, stellt die CPU 92 fest, dass die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist, und schaltet von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren um; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren kann so definiert werden, dass das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren beendet werden kann, wenn das Sensorelement 101 erloschen ist, mit anderen Worten, wenn der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt ist. Das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren kann beispielsweise beendet werden, wenn seit dem ersten Einschalten des Heizers 72 eine vorgegebene Zeit verstrichen ist oder wenn seit dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren eine vorgegebene Zeit verstrichen ist.
Die CPU 92 kann bestimmen, ob die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht, auf der Grundlage einer Leerlaufmessspannung V2open, die die Spannung V2 in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 zu leiten. 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für ein Startzeitsteuerungsverfahren einer Modifizierung zeigt. 6 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für das Verhalten eines Startzeitsteuerungsverfahrens und eines Normalzeitsteuerungsverfahrens einer Modifizierung zeigt. In 5 ist dasselbe Verfahren wie in 3 mit derselben Schrittnummer beschriftet und eine Beschreibung desselben wird weggelassen. 6 zeigt 4 und eine zusätzlich dargestellte Art der Zeitänderung der Leerlaufmessspannung V2open. In dem in 5 gezeigten Startzeitsteuerungsverfahren einer Modifizierung bestimmt die CPU 92, nachdem das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in Schritt S120 gestartet wurde, ob die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht, indem die CPU 92 bestimmt, ob die Leerlaufmessspannung V2open eine Höhe erreicht hat, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert V2opref ist (Schritt S230), wobei V2open die Spannung V2 in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 zu leiten. Zum Beispiel wird in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keine Steuerung durchgeführt, um einen Strom durch die Referenzelektrode 42 zu leiten, und nachdem das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in Schritt S120 gestartet wurde, wird der Pumpenstrom Ip2 durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren veranlasst, durch die Messelektrode 44 zu fließen. Daher misst die CPU 92 die Spannung V2 in Schritt S230 in einem Zustand, in dem das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vorübergehend gestoppt ist, insbesondere in einem Zustand, in dem das Anlegen der Spannung Vp2 von der variablen Stromversorgung 46 gestoppt ist, und setzt die Leerlaufmessspannung V2open auf den gemessenen Wert. Die Leerlaufmessspannung V2open ist ein Wert, der der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 entspricht und bei einer niedrigeren Sauerstoffkonzentration einen größeren Wert aufweist. Die Leerlaufmessspannung V2open wird in einem Zustand gemessen, in dem keine Steuerung ausgeführt wird, damit Strom durch die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 fließt, so dass es unwahrscheinlich ist, dass sie durch einen Spannungsabfall aufgrund eines Stroms beeinflusst wird. Somit hat die Leerlaufmessspannung V2open einen Wert, der der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 mit höherer Genauigkeit entspricht als die Spannung V2 (die Spannung V2 während der Ausführung des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens), die in einem Zustand gemessen wird, in dem ein Strom durch die Messelektrode 44 fließt. Der Schwellenwert V2opref wird im Voraus als der Wert der Leerlaufmessspannung V2open in einem Zustand definiert, in dem der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt wird. Wie beispielsweise in 6 gezeigt, wird der Wert der Leerlaufmessspannung V2open erhöht, wenn das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet wird, und hat einen im Wesentlichen konstanten Wert (Steady-State-Wert) nach dem Zeitpunkt t3, wenn das Abpumpen des Sauerstoffs, der seit vor der Inbetriebnahme in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorhanden war, abgeschlossen ist, mit anderen Worten, nach dem Zeitpunkt, an dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet ist. In der vorliegenden Ausführungsform wird der im Voraus durch ein Experiment gemessene Steady-State-Wert als Schwellenwert V2opref definiert. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Schwellenwert V2opref auf 200 mV festgelegt. Der Schwellenwert V2opref kann einen Wert aufweisen, der geringfügig niedriger ist als der Steady-State-Wert der Leerlaufmessspannung V2open. Wenn in Schritt S230 eine negative Feststellung getroffen wird, führt die CPU 92 den Schritt S230 wiederholt aus, bis eine positive Feststellung getroffen wird. Wenn in Schritt S230 eine positive Feststellung getroffen wird, führt die CPU 92 den vorstehend beschriebenen Schritt S140 aus, um das Startzeitsteuerungsverfahren zu beenden. Wie vorstehend beschrieben, hat die Leerlaufmessspannung V2open einen Wert, der der Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 entspricht, so dass es möglich ist, durch Vergleich der Leerlaufmessspannung V2open mit dem Schwellenwert V2opref in geeigneter Weise zu bestimmen, ob der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 ausreichend abgepumpt wurde oder nicht. Somit kann selbst dann, wenn die CPU 92 den Schritt S230 in 5 anstelle des Schrittes S130 in 3 ausführt, das Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zu dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in geeigneter Weise erfolgen. Es ist zu beachten, dass, wie vorstehend beschrieben, der Zeitpunkt, zu dem sich der Pumpenstrom Ip1 um den Zielstrom Ip1* stabilisiert hat, etwas früher liegen kann als der Zeitpunkt t3, zu dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird. Im Gegensatz zum Pumpenstrom Ip1 hat die Leerlaufmessspannung V2open einen Wert, der dem im dritten inneren Hohlraum 61 vorhandenen Sauerstoff entspricht, so dass es kaum einen Unterschied zwischen dem Zeitpunkt, an dem die Leerlaufmessspannung V2open einen Steady-State-Wert erreicht, und dem Zeitpunkt, an dem das Sensorelement 101 ausgeschaltet wird, gibt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 bei dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23 gepumpt; der Sauerstoff kann jedoch auch in die Umgebung einer Elektrode gepumpt werden, die an einer anderen Position als dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet ist, nicht beschränkt auf die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23. Zum Beispiel kann der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 bei dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in die Umgebung der Referenzelektrode 42 gepumpt werden, indem ein Pumpenstrom durch Anlegen einer Spannung zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 fließt. Das heißt, in dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird der Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61 an die Außenseite des Elementkörpers gepumpt, die Außenseite ist die Umgebung der äußeren Pumpenelektrode 23. Der Sauerstoff kann jedoch auch in das Innere des Elementkörpers gepumpt werden, wie in die Umgebung der Referenzelektrode 42. Wenn der Sauerstoff in das Innere des Elementkörpers herausgepumpt wird, ist es bevorzugt, dass der Sauerstoff in die Umgebung einer Elektrode, wie der Referenzelektrode 42, gepumpt wird, die an einer anderen Stelle als der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet ist. Mit anderen Worten, wenn der Sauerstoff in das Innere des Elementkörpers gepumpt wird, ist es bevorzugt, dass der Sauerstoff in eine Fläche des Elementkörpers gepumpt wird, die nicht mit dem dritten inneren Hohlraum 61 in Verbindung steht.
Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nicht näher beschrieben, ist es bevorzugt, dass die an die Messpumpenzelle 41 angelegte Spannung Vp2 niedriger als 1500 mV ist. Wenn die Spannung Vp2 höher als oder gleich 1500 mV ist, kann es zu einem Mangel an Sauerstoffionen im Festelektrolyten kommen, und es kann zu einer elektronischen Leitung im Festelektrolyten kommen, wodurch das Sensorelement 101 geschwärzt werden kann, um unbrauchbar zu werden; ein solches Problem kann jedoch vermieden werden, indem die Spannung Vp2 niedriger als 1500 mV eingestellt wird. Je höher der Wert des Startzeit-Zielwerts V2a* ist, desto höher ist der Wert der Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens. Es ist daher bevorzugt, dass der Startzeit-Zielwert V2a* als ein Wert definiert wird, der verhindert, dass die Spannung Vp2 1500 mV übersteigt. Wenn das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Festelektrolyt nicht ausreichend aktiviert ist, wird der Sauerstoff im dritten inneren Hohlraum 61 nicht abgepumpt und die Spannung V2 nähert sich nicht dem Startzeit-Zielwert V2a*, so dass die Spannung Vp2 aufgrund der Rückkopplungssteuerung zu einem hohen Wert neigt. Wenn das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in einem Zustand ausgeführt wird, in dem der Festelektrolyt nicht ausreichend aktiviert ist, tendiert die Spannung Vp2 daher dazu, während des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens höher als oder gleich 1500 mV zu sein. In Anbetracht dieses Punktes ist es bevorzugt, dass die Startbedingung (der Wert des Schwellenwerts Thref in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in geeigneter Weise definiert wird, so dass die Spannung Vp2 1500 mV nicht überschreitet.
In dem Heizersteuerungsverfahren der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuert die CPU 92 den Heizer 72 so, dass die Heizertemperatur Th die Zieltemperatur Th* erreicht; jedoch kann die CPU 92 ohne Verwendung der Heizertemperatur Th den Heizer 72 so steuern, dass die Sensorelementtemperatur, die die Temperatur des Heizers 72 oder des Elementkörpers ist, eine Zieltemperatur erreicht. Zum Beispiel wird der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpenzelle 41 oder der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 als der Wert (in die Temperatur umwandelbarer Wert) gemessen, der die Temperatur des Elementkörpers darstellt, und der Heizer 72 kann so gesteuert werden, dass der Widerstandswert einen Zielwiderstandswert erreicht. In ähnlicher Weise wird in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wenn die Heizertemperatur Th eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Thref ist, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Wenn die Sensorelementtemperatur zusätzlich zur Heizertemperatur Th eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist (z.B. wenn der Widerstandswert des Schaltkreises der Messpumpenzelle 41 eine Höhe erreicht, die niedriger als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist), kann das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden. Alternativ kann der Gassensor 100 einen Temperaturdetektor, wie ein Thermoelement, enthalten, und der Temperatursensor kann direkt die Temperatur des Sensorelements (die Temperatur des Heizers 72 oder die Temperatur des Elementkörpers) selbst messen. In diesem Fall kann die CPU 92 den Heizer 72 in Abhängigkeit von der gemessenen Sensorelementtemperatur so steuern, dass die Sensorelementtemperatur eine Zieltemperatur erreicht.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform bestimmt die CPU 92, wenn die Heizertemperatur Th eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich dem vorbestimmten Schwellenwert Thref ist, dass die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren kann so definiert werden, dass das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden kann, wenn der Festelektrolyt in der Messpumpenzelle 41, die durch das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gesteuert wird, aktiviert wird. Beispielsweise kann das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden, wenn seit dem Beginn der Einschaltung des Heizers 72 eine vorbestimmte Zeit verstrichen ist.
Alternativ kann die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren so definiert werden, dass das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden kann, wenn ein Zustand erreicht ist, der für das Abpumpen des Sauerstoffs geeignet ist, der an das Bestandteilsmaterial der Messelektrode 44 gebunden ist. Beispielsweise kann die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf der Grundlage des Phasendiagramms des Bestandteilsmaterials für die Messelektrode 44 definiert werden. Ein Beispiel für eine Startbedingung, bei der die Messelektrode 44 Rh als Bestandteilsmaterial enthält, wird beschrieben. 7 ist ein Phasendiagramm von Rh₂O₃ (Referenzen: V. K. Tagirov, D. M. Chizhikov, E. K. Kazenas und L. K. S. Hubochkin, Zh. Neorg. Khim., Titel: Study of thermal dissociation of ruthenium dioxide and rhodiumsesquioxide, Journal: Zhurnal Neorganicheskoj Khimii; Bd. 20(8); S. 2035-2037 (1975)). Die vertikale Achse in 7 gibt den Sauerstoffpartialdruck an und die horizontale Achse die Temperatur. Die dicke Gerade in 7 ist eine Gerade (Gleichgewichtslinie), die eine Beziehung zwischen Sauerstoffpartialdruck und Temperatur zeigt, in der sich Rh₂O₃ und Rh in einem Gleichgewichtszustand befinden. Die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren kann auf der Grundlage der Gleichgewichtslinie definiert werden, so dass das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren in einem Zustand ausgeführt wird, der für die Reduktion des Oxids (hier Rh₂O₃) des Bestandteilsmaterials (hier Rh) für die Messelektrode 44 geeignet ist (insbesondere ein Zustand, in dem sich ein entsprechender Punkt zwischen Temperatur und Sauerstoffpartialdruck in einer Fläche unten links der Gleichgewichtslinie in 7 befindet). Wenn beispielsweise der Logarithmus (IogPO₂) des Sauerstoffpartialdrucks im dritten inneren Hohlraum 61, der dem Startzeit-Zielwert V2a* für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren entspricht, -2 ist (d.h. wenn der Sauerstoffpartialdruck 0,01 Torr beträgt), wie durch die dem Phasendiagramm in 7 hinzugefügte gestrichelte Linie gezeigt, beträgt die Temperatur der Messelektrode 44, die dem Sauerstoffpartialdruck auf der Gleichgewichtslinie entspricht, Ta°C (etwa 630°C). Wenn also die Spannung V2 in der Nähe des Startzeit-Zielwertes V2a* liegt und die Temperatur der Messelektrode 44 aufgrund des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens höher als oder gleich Ta°C ist, wird Rh₂O₃ wahrscheinlich zu Rh reduziert. Daher kann die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren so definiert werden, dass das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden kann, wenn die Temperatur der Messelektrode 44 eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich Ta°C ist. Beispielsweise kann der Schwellenwert Thref als der untere Grenzwert der Heizertemperatur Th bestimmt werden, der erforderlich ist, um die Temperatur der Messelektrode 44 auf eine Höhe von höher als oder gleich Ta°C zu bringen. Alternativ kann, wenn eine vorbestimmte Zeit seit dem Beginn der Einschaltung des Heizers 72 verstrichen ist, das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet werden und die vorbestimmte Zeit kann auf der Grundlage der Zeit definiert werden, die die Temperatur der Messelektrode 44 benötigt, um seit dem Beginn des Heizersteuerungsverfahrens eine Höhe zu erreichen, die höher als oder gleich Ta°C ist. Man beachte, je höher die Temperatur der Messelektrode 44 und je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto wahrscheinlicher ist es, dass Rh₂O₃ reduziert wird, wie aus 7 ersichtlich. Mit anderen Worten, je niedriger der Sauerstoffpartialdruck im dritten inneren Hohlraum 61 ist, desto niedriger ist die Temperatur der Messelektrode 44, die zum Starten des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens geeignet ist. Wenn der Startzeit-Zielwert V2a* auf einen höheren Wert eingestellt wird, kann das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren daher in einer entsprechend kurzen Zeit ab dem Start des Heizersteuerungsverfahrens gestartet werden.
Wie vorstehend beschrieben, ist es jedoch bevorzugt, dass der Startzeit-Zielwert V2a* als ein Wert definiert wird, der verhindert, dass die Spannung Vp2 1500 mV überschreitet. Auch unter diesem Gesichtspunkt ist es bevorzugt, den Startzeit-Zielwert V2a* auf einen nicht zu hohen Wert einzustellen. Wie vorstehend beschrieben, wird das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vorzugsweise ausgeführt, nachdem der Festelektrolyt aktiviert wurde, daher ist es bevorzugt, dass die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf der Grundlage der Temperatur definiert wird, die höher ist als die Temperatur, die zur Aktivierung des Festelektrolyten erforderlich ist, und die Temperatur, die für die Reduktion des Oxids des Bestandteilsmaterials für die Messelektrode 44 geeignet ist. Auch wenn die Messelektrode 44 Pt als Bestandteilsmaterial enthält, kann die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren, das für die Reduktion des Oxids von Pt geeignet ist, ähnlich wie im vorstehend beschriebenen Beispiel auf der Grundlage des Phasendiagramms von Pt definiert werden. Wenn die Messelektrode 44 sowohl Pt als auch Rh als Bestandteilsmaterial enthält, ist es bevorzugt, dass die Startbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf der Grundlage der höheren Temperatur zwischen der für die Reduktion des Oxids von Pt geeigneten Temperatur und der für die Reduktion des Oxids von Rh geeigneten Temperatur definiert wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform startet die CPU 92 das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) zur gleichen Zeit wie das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Es kann eine Zeitdifferenz zwischen einem Zeitpunkt für den Start des Einstellpumpen-Steuerungsverfahrens und einem Zeitpunkt für den Start des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens angegeben werden. Die Einstellpumpenzelle (die Hauptpumpenzelle 21 und die Hilfspumpenzelle 50) hat eine höhere Fähigkeit, Sauerstoff herauszupumpen, als die Messpumpenzelle 41, daher ist es bevorzugt, dass das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) zur gleichen Zeit wie oder früher als das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren gestartet wird. Darüber hinaus wird während des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens, das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren (das Hauptpumpen-Steuerungsverfahren und das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren) auch vorzugsweise ausgeführt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform hat die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und zum Beispiel kann die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einen anderen inneren Hohlraum haben, oder einer von dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 kann weggelassen werden. In ähnlicher Weise hat die Einstellpumpenzelle in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Hauptpumpenzelle 21 und die Hilfspumpenzelle 50; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die Einstellpumpenzelle kann beispielsweise eine andere Pumpenzelle aufweisen, oder eine der Hauptpumpenzelle 21 und der Hilfspumpenzelle 50 kann weggelassen werden. Wenn beispielsweise die Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas nur durch die Hauptpumpenzelle 21 ausreichend reduziert werden kann, kann die Hilfspumpenzelle 50 weggelassen werden. In diesem Fall kann die CPU 92 als Einstellpumpen-Steuerungsverfahren ein Verfahren ausführen, um die Hauptpumpenzelle 21 so zu steuern, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer (dem ersten inneren Hohlraum 20) beispielsweise eine Zielkonzentration erreicht. Genauer gesagt kann ein Zielwert V0* im Voraus definiert werden und die CPU 92 kann die Hauptpumpenzelle 21 steuern, indem sie eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpenspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 ausführt, so dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine Zielkonzentration erreicht). In diesem Fall kann die CPU 92, wenn sie feststellt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf der Grundlage des Betriebs der Hauptpumpenzelle 21 stabilisiert ist, von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zu dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umschalten. Beispielsweise kann die CPU 92 auf der Grundlage des Wertes der Spannung V0 oder des Wertes des Pumpenstroms Ip0 feststellen, ob die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist oder nicht. Genauer gesagt, wenn die Spannung V0 eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, kann die CPU 92 feststellen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist, und wenn der Pumpenstrom Ip0 einmal erhöht und auf eine Höhe verringert wird, die niedriger als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, kann die CPU 92 feststellen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 stabilisiert ist.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform dient die äußere Pumpenelektrode 23 als äußere Hauptpumpenelektrode, als äußere Hilfspumpenelektrode und als äußere Messelektrode, wobei die äußere Hauptpumpenelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Hauptpumpenzelle 21 ist und einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist, die äußere Hilfspumpenelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Hilfspumpenzelle 50 ist und einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist, die äußere Messelektrode in einem Abschnitt angeordnet ist, der Teil der Messpumpenzelle 41 ist und einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensorelements 101 ausgesetzt ist; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Zusätzlich zur äußeren Pumpenelektrode 23 können eine oder mehrere der äußeren Hauptpumpenelektrode, der äußeren Hilfspumpenelektrode und der äußeren Messelektrode außerhalb des Sensorelements 101 angeordnet sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die äußere Pumpenelektrode 23 an der Außenseite des Sensorelements 101 freiliegend; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt, und die äußere Pumpenelektrode 23 kann außerhalb der Elementkörper (Schichten 1 bis 6) vorgesehen sein, um in Kontakt mit einem Messgegenstandsgas zu sein. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 eine poröse Schutzschicht aufweisen, die die Elementkörper (Schichten 1 bis 6) bedeckt, und die äußere Pumpenelektrode 23 kann ebenfalls mit der porösen Schutzschicht bedeckt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform enthält das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie im Falle des Sensorelements 201 von 8, der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden. In dem Sensorelement 201 einer in 8 gezeigten Modifizierung sind die Gaseinlassöffnung 10, der erste diffusionsgesteuerte Abschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite diffusionsgesteuerte Abschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte diffusionsgesteuerte Abschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 in dieser Reihenfolge nebeneinander zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, um miteinander zu kommunizieren. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten diffusionsgesteuerten Abschnitt 45 beschichtet. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 ist ein Film aus einem keramischen porösen Material, wie Aluminiumoxid (Al₂O₃). Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 spielt, wie auch der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 60 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, eine Rolle bei der Begrenzung der NOx-Menge, die in die Messelektrode 44 fließt. Der vierte diffusionsgesteuerte Abschnitt 45 fungiert auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Der Deckenelektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpenelektrode 51 ist bis knapp oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Auch mit dem so ausgebildeten Sensorelement 201 ist es möglich, eine NOx-Konzentration in Abhängigkeit von z.B. einem Pumpenstrom Ip2 wie bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform zu erfassen. In diesem Fall fungiert die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper mit einer Vielzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6); die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht und einen Messgegenstandsgasströmungsabschnitt im Inneren enthalten. Beispielsweise können die Schichten 1 bis 5 mit Ausnahme der zweiten Festelektrolytschicht 6 in 1 eine Strukturschicht sein, die aus einem anderen Material als einem Festelektrolyten besteht (z.B. eine Schicht aus Aluminiumoxid). In diesem Fall brauchen die Elektroden des Sensorelements 101 nur auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet zu werden. Beispielsweise muss die Messelektrode 44 aus 1 nur auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet werden. Der Referenzgaseinlassraum 43 kann in der Abstandshalterschicht 5 anstelle der ersten Festelektrolytschicht 4 vorgesehen sein, die Atmosphäreneinlassschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 anstelle zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 vorgesehen sein, und die Referenzelektrode 42 kann auf der Rückseite in Bezug auf den dritten inneren Hohlraum 61 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 vorgesehen sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt die Steuereinrichtung 90 im Hauptpumpen-Steuerungsverfahren den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Grundlage des Pumpenstroms Ip1 ein (führt eine Rückkopplungssteuerung aus), so dass der Pumpenstrom Ip1 einen Zielwert Ip1* erreicht und führt eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpenspannung Vp0 aus, so dass die Spannung V0 einen Zielwert V0* erreicht; es kann jedoch auch eine andere Steuerung verwendet werden. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 90 bei dem Hauptpumpen-Steuerungsverfahren eine Rückkopplungssteuerung für die Pumpenspannung Vp0 in Übereinstimmung mit dem Pumpenstrom Ip1 durchführen, so dass der Pumpenstrom Ip1 einen Zielwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung 90 kann die Pumpenspannung Vp0 (und damit den Pumpenstrom Ip0) in Übereinstimmung mit dem Pumpenstrom Ip1 direkt steuern, indem die Erfassung der Spannung V0 von der Hauptpumpensteuerungs-Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 und die Einstellung des Zielwerts V0* weggelassen werden. In diesem Fall kann die CPU 92 bestimmen, ob die Abbruchbedingung für das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren erfüllt ist oder nicht, indem sie beispielsweise das Verfahren im vorstehend beschriebenen Schritt S130 von 3 oder Schritt S230 von 5 verwendet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform detektiert der Gassensor 100 eine NOx-Konzentration als bestimmte Gaskonzentration; die Konfiguration ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine andere Oxidkonzentration kann als bestimmte Gaskonzentration verwendet werden. In dem Fall, in dem das bestimmte Gas ein Oxid ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das bestimmte Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, wie im Fall der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, so dass die CPU 92 in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration auf der Grundlage eines erfassten Wertes, der dem Sauerstoff entspricht, zu erfassen. Alternativ kann es sich bei dem bestimmten Gas auch um ein Nichtoxid, wie Ammoniak, handeln. Wenn das bestimmte Gas ein Nichtoxid ist, wird das bestimmte Gas beispielsweise im ersten inneren Hohlraum 20 in ein Oxid umgewandelt (z.B. wird Ammoniak oxidiert und in NO umgewandelt), und Sauerstoff wird erzeugt, wenn das Oxid nach der Umwandlung im dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die CPU 92 in der Lage ist, eine bestimmte Gaskonzentration zu erkennen, indem sie einen dem Sauerstoff entsprechenden Erfassungswert erhält. Auf diese Weise ist der Gassensor 100 in der Lage, unabhängig davon, ob es sich bei dem bestimmten Gas um ein Oxid oder ein Nichtoxid handelt, eine bestimmte Gaskonzentration auf der Grundlage des Sauerstoffs zu ermitteln, der aus einem bestimmten Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann der Wert des Startzeit-Zielwerts V2a* in Abhängigkeit vom Volumen der Messelektrode 44 eingestellt werden. Die Erfinder haben herausgefunden, dass die Anspringzeit in Abhängigkeit vom Volumen der Messelektrode 44 auch bei gleichem Startzeit-Zielwert V2a* variieren kann; wenn der Wert des Startzeit-Zielwerts V2a* zu hoch oder zu niedrig ist, kann die Wirkung der Verminderung der Anspringzeit abnehmen, und es gibt einen optimalen Wert des Startzeit-Zielwerts V2a*; und wenn sich das Volumen der Messelektrode 44 ändert, ändert sich auch der optimale Wert des Startzeit-Zielwerts V2a*. Dies wird nachstehend im Einzelnen beschrieben.

Die Erfinder haben die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44 [mm³], der Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) [mV] zwischen dem Startzeit-Zielwert V2a* und dem Normalzeit-Zielwert V2b* und der Anspringzeit [s] auf die folgende Weise untersucht. Zunächst wurde das Versuchsbeispiel 1 durch das Sensorelement 101 und den Gassensor 100 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform hergestellt, die unter Verwendung der 1 und 2 erläutert wurde. Das Volumen C der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 1 betrug 4×10^-3mm³. Wie vorstehend beschrieben, ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermet-Elektrode, die Pt, Rh und ZrO₂ enthält. Darüber hinaus wurden die Versuchsbeispiele 2 bis 5 mit demselben Gassensor 100 wie in Versuchsbeispiel 1 hergestellt, mit der Ausnahme, dass verschiedene Änderungen am Volumen C, wie in Tabelle 1 gezeigt, vorgenommen wurden, indem die Dicke und die Länge der Messelektrode 44 in der Vorne-Hinten-Richtung geändert wurden. Insbesondere ist die Dicke der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 2 doppelt so dick wie in Versuchsbeispiel 1. Die Dicke der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 3 ist doppelt so groß wie die Dicke in Versuchsbeispiel 2. Die Dicke und die Länge in der Vorne-Hinten-Richtung der Messelektrode 44 in Versuchsbeispiel 4 sind das 1,5fache der Dicke und das Doppelte der Länge in Versuchsbeispiel 2. Die Dicke und die Länge der Messelektrode 44 in Vorne-Hinten-Richtung in Versuchsbeispiel 5 sind doppelt so dick und doppelt so lang wie in Versuchsbeispiel 2. Für den Gassensor 100 in Versuchsbeispiel 1 wurde der Startzeit-Zielwert V2a* auf 500 mV gesetzt, der Normalzeit-Zielwert V2b* wurde auf 400 mV gesetzt (die Differenz ΔV betrug also 100 mV), und die Anspringzeit wurde gemessen, wenn das in 3 gezeigte Startzeitsteuerungsverfahren ausgeführt wird. In ähnlicher Weise wurde bei dem Gassensor 100 in Versuchsbeispiel 1 die Differenz ΔV jedes Mal um 10 mV zwischen 110 mV und 200 mV geändert, wie in Tabelle 1 gezeigt, indem der Startzeit-Zielwert V2a* geändert wurde, und die Anspringzeit wurde in jedem Fall gemessen. Auch bei dem Gassensor 100 in den Versuchsbeispielen 2 bis 5 wurde die Differenz ΔV in ähnlicher Weise zwischen 100 mV und 200 mV verändert und die jeweilige Anspringzeit gemessen. In Tabelle 1 sind das Volumen C der Messelektrode 44 und die der Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) zwischen dem Startzeit-Zielwert V2a* und dem Normalzeit-Zielwert V2b* entsprechende Anspringzeit in jedem der Versuchsbeispiele 1 bis 5 zusammengefasst. 9 ist ein aus Tabelle 1 generiertes Diagramm, das eine Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit zeigt. Man beachte, dass in jedem der Versuchsbeispiele 1 bis 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt, die Anspringzeit kürzer ist als wenn das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren nicht ausgeführt wird (mit anderen Worten, wenn die Differenz ΔV 0 mV beträgt). Somit entspricht jedes der Versuchsbeispiele 1 bis 5 einem Beispiel der vorliegenden Erfindung. [Tabelle 1]

Differenz ΔV (= V2a-V2b) [m V]	Versuchsbeispiel 1	Versuchsbeispiel 2	Versuchsbeispiel 3	Versuchsbeispiel 4	Versuchsbeispiel 5
	Volumen C der Messelektrode [x10³ mm³]
	4	8	16	24	32
	Anspringzeit [s]
100	80	108	113	120	125
110	82	107	113	120	125
120	85	100	113	119	125
130	88	80	111	118	124
140	90	83	102	116	123
150	93	87	88	115	120
160	97	91	80	111	116
170	100	95	85	100	108
180	103	98	91	80	98
190	107	99	95	87	87
200	110	100	97	90	80

Wie aus Tabelle 1 und 9 ersichtlich, wurde festgestellt, dass die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV nicht unbedingt kürzer ist, mit anderen Worten, die Anspringzeit ist nicht unbedingt kürzer bei einem höheren Startzeit-Zielwert V2a*. So wurde beispielsweise in Versuchsbeispiel 3 festgestellt, dass die Anspringzeit am kürzesten ist, wenn die Differenz ΔV 160 mV beträgt, und dass die Anspringzeit tendenziell zunimmt, wenn die Differenz ΔV von 160 mV verringert oder erhöht wird. Auch bei den Versuchsbeispielen 2 und 4 wurde diese Tendenz festgestellt. In Versuchsbeispiel 1 ist die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV tendenziell länger, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt. Daher wird in Versuchsbeispiel 1 angenommen, dass der Wert der Differenz ΔV, mit dem die kürzeste Anspringzeit erreicht wird, weniger als 100 mV beträgt. In Versuchsbeispiel 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich von 100 mV bis 200 mV liegt, ist die Anspringzeit bei einer größeren Differenz ΔV tendenziell kürzer. Daher wird in Versuchsbeispiel 5 angenommen, dass der Wert der Differenz ΔV, mit dem die kürzeste Anspringzeit erreicht wird, größer als 200 mV ist.
Der Grund, warum die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit die vorstehend erwähnte Tendenz hat, wird beschrieben. Erstens haben die Erfinder herausgefunden, dass beim Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ein Unterschwingen bzw. ein Einschwingen des Pumpenstroms Ip2 auftreten kann. 10 ist ein Diagramm, das ein Beispiel für ein Unterschwingen des Pumpenstroms Ip2 zeigt. Die Zeiten t0, t1, t3 in 10 sind die gleichen wie in 4. Wie in 10 gezeigt, nimmt der Pumpenstrom Ip2 beim Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zum Zeitpunkt t3 möglicherweise nicht sofort einen Wert an, der der NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas entspricht, sondern es kann ein Unterschwingen des Pumpenstroms Ip2 auftreten, und nach der darauf folgenden Zeit t3' kann der Wert des Pumpenstroms Ip2 einen Wert annehmen, der der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht. Die Anspringzeit ist in diesem Fall der Zeitraum von Zeitpunkt t0 bis Zeitpunkt t3', so dass sich die Anspringzeit um den Zeitraum (Zeitpunkt t3 bis t3'), in dem die Unterschwingung auftritt, verlängert.
Der Grund für das Auftreten einer solchen Unterschwingung ist wahrscheinlich folgender. Beim Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren wird der Zielwert der Spannung V2 vom Startzeit-Zielwert V2a* auf den Normalzeit-Zielwert V2b* (< V2a*) geändert, so dass die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 unmittelbar nach dem Umschalten niedriger sein kann als die Sauerstoffkonzentration, die dem Normalzeit-Zielwert V2b* entspricht. Um die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 auf die dem Normalzeit-Zielwert V2b* entsprechende Sauerstoffkonzentration zu erhöhen, kann der Controller 91 die Messpumpenzelle 41 daher unmittelbar nach dem Umschalten auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren so steuern, dass sie keinen Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 abpumpt, sondern Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61 pumpt. In diesem Fall hat der Pumpenstrom Ip2 einen negativen Wert (positiv und negativ sind für den Pumpenstrom Ip2 während des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens vertauscht). Darüber hinaus kann während des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens das Wasser in einem Messgegenstandsgas aufgrund der an die Messelektrode 44 angelegten Spannung Vp2 zersetzt werden, und es kann Wasserstoff entstehen. Nach dem Umschalten auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren führt die Reaktion des Wasserstoffs mit Sauerstoff dazu, dass die Sauerstoffkonzentration im dritten inneren Hohlraum 61 abnimmt, was auch dazu führen kann, dass der Pumpenstrom Ip2 abnimmt oder einen negativen Wert hat. Je größer das Volumen C der Messelektrode 44 ist, desto größer ist die Oberfläche (nicht nur die äußere Oberfläche der Messelektrode 44, sondern auch die Oberfläche der Poren im Inneren der Messelektrode 44) der Messelektrode 44, somit je größer das Volumen C ist, desto größer ist tendenziell die Menge an Wasserstoff, die während des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens erzeugt wird. Je größer die Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) und das Volumen C ist, desto länger ist die Zeitspanne, in der eine Unterschwingung auftritt, wenn von der Anfahrzeitmessung auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umgeschaltet wird, desto länger ist somit die Anspringzeit.
Außerdem kann bei einer größeren Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) der Sauerstoff, der sich seit der Zeit vor der Inbetriebnahme des Sensorelements 101 im dritten inneren Hohlraum 61 befunden hat, bei dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren schnell entfernt werden. Je größer also die Differenz ΔV (= V2a* - V2b*) ist, desto kürzer ist die Zeitspanne (z.B. Zeit t1 bis t3 in 10), in der das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren durchgeführt wird, desto kürzer ist somit tendenziell die Anspringzeit. Bei einer kürzeren Gesamtzeit des Zeitraums (z.B. Zeit t1 bis t3 in 10), in dem das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ausgeführt wird, und des Zeitraums (z.B. Zeit t3 bis t3' in 10), in dem ein Unterschwingen auftritt, kann die Anspringzeit (z.B. Zeit t0 bis t3' in 10) verkürzt werden.
Wenn der Wert des Startzeit-Zielwerts V2a*, genauer gesagt, die Differenz ΔV, zu klein ist, wird die Zeitspanne, in der das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren ausgeführt wird, verlängert (die Zeit, die benötigt wird, um den Sauerstoff abzupumpen, der sich seit vor der Inbetriebnahme im dritten inneren Hohlraum 61 befindet, wird verlängert), wodurch der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit wahrscheinlich vermindert wird. Ist die Differenz ΔV zu groß, vergrößert sich die Zeitspanne, in der die Unterschwingung auftritt, so dass der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit wahrscheinlich geringer ist. Daher gibt es wahrscheinlich eine optimale Differenz ΔV, die für ein bestimmtes Sensorelement 101 den größten Effekt der Verkürzung der Anspringzeit bietet. Wie vorstehend erwähnt, variiert die Zeitspanne, in der die Unterschwingung auftritt, in Abhängigkeit vom Volumen C der Messelektrode 44, so dass sich bei einer Änderung des Volumens C auch die optimale Differenz ΔV ändert, die den größten Effekt bei der Verkürzung der Anspringzeit hat. Insbesondere bei einem größeren Volumen C wird die optimale Differenz ΔV wahrscheinlich größer. Aus den vorstehend genannten Gründen ist die Beziehung zwischen dem Volumen C der Messelektrode 44, der Differenz ΔV und der Anspringzeit wie in Tabelle 1 und 9 dargestellt.
Hierbei ist das Volumen C der Messelektrode 44 vorzugsweise größer als oder gleich 8×10^-3 mm³. Wenn das Volumen C größer als oder gleich 8×10^-3 mm³ ist, ist die Fähigkeit, den Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode 44 durch die Messpumpenzelle 41 abzupumpen, ausreichend hoch. Daher sind die Versuchsbeispiele 2 bis 5, in denen das Volumen C größer als oder gleich 8×10^-3 mm³ ist, bevorzugter als Versuchsbeispiel 1. Wenn die Differenz ΔV zu groß ist, hat die Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens einen hohen Wert und wie vorstehend beschrieben, kann das Sensorelement 101 geschwärzt werden, um unbrauchbar zu werden. Wenn die Spannung Vp2 zum Zeitpunkt des Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahrens zu hoch ist, kann das Anlegen einer übermäßigen Spannung Vp2 an die Messelektrode 44 eine Verschlechterung der Messelektrode 44 und einen Anstieg des Widerstandswerts der Messelektrode 44 verursachen, wodurch die Empfindlichkeit der Erfassung der NOx-Konzentration verringert werden kann. Daher ist die Differenz ΔV vorzugsweise kleiner als oder gleich 200 mV. Aus dem Ergebnis in 9 geht hervor, dass bei einem Volumen C, das größer ist als das Volumen in Versuchsbeispiel 5, wenn die Differenz ΔV in einem Bereich kleiner als oder gleich 200 mV liegt, der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit vermutlich vermindert ist. Daher ist das Volumen C vorzugsweise kleiner als oder gleich dem Volumen in Versuchsbeispiel 5, insbesondere kleiner als oder gleich 32×10^-3 mm³. Als Bereich, in dem die Anspringzeit auf einen Mindestwert oder ihren ungefähren Wert in den Versuchsbeispielen 2 bis 5 eingestellt werden kann und in dem die Differenz ΔV 200 mV nicht überschreitet, beträgt die Differenz ΔV vorzugsweise 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger. Ausgehend von dem Vorstehenden beträgt das Volumen C vorzugsweise 8×10^-3 mm³ oder mehr und 32×10^-3 mm³ oder weniger, und die Differenz ΔV beträgt vorzugsweise 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger. Für ein größeres Volumen C neigt die Differenz ΔV, die benötigt wird, um den Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend zu verstärken, dazu, sich zu erhöhen; wenn jedoch das Volumen C 8x10^-3 mm³ oder mehr und 32x10^-3 mm³ oder weniger beträgt und die Differenz ΔV 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger ist, kann der Effekt der Verkürzung der Anspringzeit ausreichend verstärkt werden, während der untere Grenzwert des Volumens C und der obere Grenzwert der vorstehend erwähnten Differenz ΔV erfüllt werden.
Man beachte, dass die Dicke der Messelektrode 44, wenn das Volumen C der Messelektrode 44 eingestellt ist, beispielsweise 10 µm oder mehr und 40 µm oder weniger betragen kann. Die Fläche der oberen Oberfläche der Messelektrode 44, in anderen Worten, das Produkt aus der Querbreite und der Vorne-Hinten-Länge der Messelektrode 44, kann 0,2 mm² oder mehr und 1,2 mm² oder weniger betragen. Die Breite der Messelektrode 44 in Querrichtung kann 0,5 mm oder mehr und 2,5 mm oder weniger betragen. Wenn die Differenz ΔV eingestellt wird, ist der Startzeit-Zielwert V2a* vorzugsweise kleiner oder gleich 600 mV.
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020-204045 , die am 9. Dezember 2020 eingereicht wurde, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-103242 , die am 22. Juni 2021 eingereicht wurde und deren gesamter Inhalt hier durch Hinweis aufgenommen ist.
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 2020204045 [0104]
JP 2021103242 [0104]

Claims

Gassensor, umfassend: ein Sensorelement, das beinhaltet einen Elementkörper, der eine sauerstoffionenleitende Festelektrolytschicht enthält und im Inneren mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einleitet und das Messgegenstandsgas strömen lässt, eine Messpumpenzelle mit einer äußeren Messelektrode, die außerhalb des Elementkörpers vorgesehen ist, um mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt zu sein, und einer inneren Messelektrode, die in einer Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts angeordnet ist, wobei die Messpumpenzelle so konfiguriert ist, dass sie Sauerstoff aus der Umgebung der inneren Messelektrode in die Umgebung der äußeren Messelektrode herauspumpt, eine Referenzelektrode, die im Inneren des Elementkörpers angeordnet ist, um mit einem Referenzgas in Kontakt zu kommen, das als Referenz für den Nachweis einer bestimmten Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas dient, und eine Messspannungserfassungs-Sensorzelle, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst; einen Pumpenzellencontroller, der ein Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer während einer Normalbetriebszeit des Sensorelements durch Steuern der Messpumpenzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Normalzeit-Zielwert erreicht, und ein Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren des Auspumpens von Sauerstoff in der Messkammer zu einer Startzeit des Sensorelements früher als die Normalbetriebszeit durch Steuern der Messpumpenzelle ausführt, so dass die Messspannung einen Startzeit-Zielwert erreicht, der höher als der Normalzeit-Zielwert ist; und einen bestimmten Gaskonzentrationserfassungsbereich, der die bestimmte Gaskonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Grundlage eines Messpumpenstroms erfasst, der durch die Messpumpenzelle durch das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren fließt.
Gassensor nach Anspruch 1, weiterhin umfassend: einen Heizer, der den Elementkörper erhitzt; und ein Heizercontroller, der ein Heizersteuerungsverfahren der Energieversorgung des Heizers ausführt, um den Heizer zu veranlassen, Wärme zu erzeugen, so dass eine Sensorelementtemperatur, die eine Temperatur des Heizers oder des Elementkörpers ist, eine vorbestimmte Zieltemperatur erreicht, wobei nach dem Start des Heizersteuerungsverfahrens, wenn die Sensorelementtemperatur eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, der niedriger als oder gleich der Zieltemperatur ist, der Pumpenzellencontroller das Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren startet.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Sensorelement eine Einstellpumpenzelle aufweist, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einstellt, die an einer stromaufwärts gelegenen Seite der Messkammer des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts vorgesehen ist, und der Pumpenzellencontroller ein Einstellpumpen-Steuerungsverfahren des Betriebs der Einstellpumpenzelle zur Startzeit des Sensorelements ausführt und, wenn sie auf der Grundlage des Betriebs der Einstellpumpenzelle feststellt, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer stabilisiert ist, von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren zu dem Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren umschaltet.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei die Sauerstoffkonzentrations-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum und einen zweiten inneren Hohlraum aufweist, der an einer stromabwärts gelegenen Seite des ersten inneren Hohlraums und an einer stromaufwärts gelegenen Seite der Messkammer vorgesehen ist, die Einstellpumpenzelle eine Hauptpumpenzelle aufweist, die eine Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum einstellt, und eine Hilfspumpenzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum einstellt, das Einstellpumpen-Steuerungsverfahren ein Hilfspumpen-Steuerungsverfahren zum Steuern der Hilfspumpenzelle, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Hohlraum eine Zielkonzentration erreicht, und ein Hauptpumpen-Steuerungsverfahren zum Steuern der Hauptpumpenzelle, so dass ein Hilfspumpenstrom, der durch die Hilfspumpenzelle durch das Hilfspumpen-Steuerungsverfahren fließt, einen Zielstrom erreicht, enthält, und wenn festgestellt wird, dass sich der Hilfspumpenstrom in der Nähe des Zielstroms stabilisiert hat, schaltet der Pumpenzellencontroller von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren um.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei, wenn eine Leerlaufmessspannung eine Höhe erreicht, die höher als oder gleich einem vorbestimmten Schwellenwert ist, der Pumpenzellencontroller ein Umschalten von dem Startzeit-Messpumpensteuerungsverfahren auf das Normalzeit-Messpumpensteuerungsverfahren vornimmt, wobei die Leerlaufmessspannung die Messspannung in einem Zustand ist, in dem keine Steuerung durchgeführt wird, um einen Strom durch die innere Messelektrode und die Referenzelektrode zu leiten.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die innere Messelektrode mindestens eines von Pt und Rh enthält.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Volumen C der inneren Messelektrode 8×10^-3 mm³ oder mehr und 32×10^-3 mm³ oder weniger beträgt, und eine Differenz ΔV zwischen dem Startzeit-Zielwert und dem Normalzeit-Zielwert 120 mV oder mehr und 200 mV oder weniger beträgt.