DE102022132318A1

DE102022132318A1 - Gassensor und gassensor-steuerverfahren

Info

Publication number: DE102022132318A1
Application number: DE102022132318.8A
Authority: DE
Inventors: Yusuke Watanabe; Daichi Ichikawa; Kodai Ichikawa; Takayuki Sekiya
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2022-12-06
Publication date: 2023-06-22
Also published as: JP2023090287A; CN116265929A; US20230194462A1

Abstract

[PROBLEME] Die vorliegende Erfindung misst selbst eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases genau.[LÖSUNG] Ein Gassensor 100 zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in einem Messgegenstandsgas, wobei der Gassensor 100 ein Sensorelement 101 und eine Steuereinheit 90 umfasst, wobei das Sensorelement 101 umfasst: Einen Basisteil 102; einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15; eine Einstellpumpzelle 21 zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle 21 eine innere Pumpelektrode 22 und eine äußere Pumpelektrode 23 umfasst; eine Strom-Messpumpzelle 41 zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle 41 eine innere Messelektrode 44 und eine äußere Messelektrode 23 umfasst; eine Referenzelektrode 42, die so angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 die innere Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 umfasst und die Steuereinheit 90 umfasst eine Umschalteinheit 47 zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht, und ein Steuerverfahren des Gassensors 100.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und ein Steuerverfahren des Gassensors.
Stand der Technik
Ein Gassensor wird zur Erfassung oder Messung einer Konzentration einer Zielgaskomponente (Sauerstoff O₂, Stickstoffoxid NOx, Ammoniak NH₃, Kohlenwasserstoffe HC, Kohlendioxid CO₂, usw.) in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils, verwendet. Beispielsweise wird herkömmlich die Konzentration der Zielgaskomponente in einem Abgas eines Kraftfahrzeugs bzw. Automobils gemessen und ein Abgasreinigungssystem, das an dem Kraftfahrzeug bzw. Automobil montiert ist, wird auf der Basis der Messung optimal gesteuert.
Als derartiger Gassensor ist ein Gassensor bekannt, bei dem ein Sauerstoffionenleitender Festelektrolyt, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), verwendet wird. Beispielsweise offenbart JP 5323752 B2 einen Gassensor, der eine Konzentration einer Zielgaskomponente in einem Messgegenstandsgas durch ein Grenzstromverfahren misst.
JP 5323752 B2 offenbart auch einen NOx-Sensor, der eine Hauptpumpzelle und eine Hilfspumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration sowie eine Messpumpzelle aufweist, die eine Messelektrode zum Erfassen von NOx umfasst. In dem NOx-Sensor wird ein Sauerstoffpartialdruck in einem Messgegenstandsgas auf ein derart niedriges Niveau eingestellt, das eine NOx-Messung durch die Hauptpumpzelle und die Hilfspumpzelle nicht wesentlich beeinflusst. NOx in dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffpartialdruck eingestellt worden ist, wird in der Messelektrode reduziert, und ein resultierender Sauerstoff wird durch die Messpumpzelle hinausgepumpt, so dass er als Stromwert erfasst wird.
JP 2021-162580 A und JP 2021-162581 A offenbaren einen Gassensor mit zwei Messpumpzellen. JP 2021-162580 A und JP 2021-162581 A offenbaren auch, dass eine Konzentration eines spezifischen Gases durch Umschalten, welche der zwei Messpumpzellen abhängig von der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas verwendet wird, in einem breiten Konzentrationsbereich (beispielsweise 500 ppm oder mehr und 10000 ppm oder weniger) erfasst wird.
Dokumentenliste
Patentdokumente

Patentdokument 1: JP 5323752 B2
Patentdokument 2: JP 2021-162580 A
Patentdokument 3: JP 2021-162581 A

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Mit strenger werdenden Abgasemissionsvorschriften und dergleichen für ein Kraftfahrzeug bzw. Automobil muss ein Gassensor selbst eine niedrigere Konzentration eines zu messenden Zielgases genau messen. Dabei steht eine niedrige Konzentration für eine Konzentration von beispielsweise etwa niedriger als 500 ppm, niedriger als 400 ppm, niedriger als 300 ppm, niedriger als 200 ppm oder niedriger als 100 ppm.
In einem herkömmlichen Gassensor des Grenzstromtyps, wie er beispielsweise in JP 5323752 B2 offenbart ist, wird der Sauerstoff, der durch eine Reduktion des zu messenden Zielgases (beispielsweise NOx) erfasst wird, als Stromwert in der Messpumpzelle erfasst. Daher wird der Stromwert als ein Wert erfasst, der einer Konzentration des zu messenden Zielgases entspricht.
Dabei wird selbst dann, wenn das zu messende Zielgas nicht in dem Messgegenstandsgas vorliegt, der Stromwert nicht Null und ein kleiner Strom fließt durch die Messpumpzelle. Dieser kleine Strom wird als Offset-Strom bezeichnet. Der Offset-Strom fließt ungeachtet der Konzentration des zu messenden Zielgases. Folglich verschiebt sich dann, wenn sich der Stromwert des Offset-Stroms aufgrund verschiedener Faktoren ändert, ein Stromwert, der in der Messpumpzelle erfasst wird, um das Ausmaß der Offset-Stromwertänderung ungeachtet der Konzentration des zu messenden Zielgases. Beim Messen einer niedrigen Konzentration des zu messenden Zielgases ist der Stromwert, der in der Messpumpzelle gemäß der Konzentration des zu messenden Zielgases erfasst wird, relativ klein, so dass die Änderung des Stromwerts aufgrund der Änderung des Offset-Stromwerts relativ groß ist und eine Tendenz dahingehend besteht, dass der Effekt auf die Messgenauigkeit groß ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, selbst eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases genau zu messen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein zu messendes Zielgas in einem breiten Konzentrationsbereich, einschließlich eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases, genau zu messen.
Mittel zum Lösen der Probleme
Als Ergebnis von intensiven Untersuchungen haben die vorliegenden Erfinder gefunden, dass es möglich ist, durch Ausstatten eines Gassensors mit einer Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch eine Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht, den Effekt des Offset-Stroms zu beseitigen und eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases genau zu messen.
Die vorliegende Erfindung umfasst die folgenden Aspekte.

(1) Gassensor zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in einem Messgegenstandsgas, wobei der Gassensor ein Sensorelement und eine Steuereinheit zum Steuern des Sensorelements umfasst, wobei das Sensorelement umfasst:
- einen Basisteil in einer länglichen Plattenform, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst;
- einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil, der von einem Endteil in einer Längsrichtung des Basisteils ausgebildet ist;
- eine Einstellpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle umfasst: eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils angeordnet ist; und eine äußere Pumpelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht;
- eine Strom-Messpumpzelle zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle umfasst: eine innere Messelektrode, die an einer Position weiter entfernt von dem einen Endteil in der Längsrichtung des Basisteils angeordnet ist als die innere Pumpelektrode auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils; und eine äußere Messelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht;
- eine Referenzelektrode, die so innerhalb des Basisteils angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und
- eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die innere Messelektrode und die Referenzelektrode umfasst, und
- die Steuereinheit umfasst:
  - eine Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht.

In der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle entspricht die Referenzelektrode der inneren Messelektrode.
(2) Gassensor nach dem vorstehenden (1), wobei
die Steuereinheit umfasst:

einen Messmodus-Umschaltteil zum Umschalten zwischen einem elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle erfasst wird, und einem Strommessmodus, in dem eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts in der Strom-Messpumpzelle erfasst wird, und
der Messmodus-Umschaltteil die Umschalteinheit so umschaltet, dass in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und die Umschalteinheit so umschaltet, dass in dem Fall eines Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.

(3) Gassensor nach dem vorstehenden (1) oder (2), wobei die Umschalteinheit einen Schalter zum Umschalten, ob ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle unterbrochen wird oder nicht, umfasst.
(4) Gassensor nach dem vorstehenden (3), wobei der Messmodus-Umschaltteil den Schalter ausschaltet, so dass ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle unterbrochen wird, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und den Schalter einschaltet, so dass ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle stattfindet, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
(5) Gassensor nach dem vorstehenden (1) oder (2), wobei die Umschalteinheit eine variable Stromversorgung zum Ändern einer Spannung, die an die Strom-Messpumpzelle angelegt wird, umfasst.
(6) Gassensor nach dem vorstehenden (5), wobei der Messmodus-Umschaltteil eine Spannung in der variablen Stromversorgung auf Null einstellt, so dass in der Strom-Messpumpzelle keine Spannung angelegt wird, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und eine Spannung in der variablen Stromversorgung auf einen vorgegebenen Wert einstellt, so dass in der Strom-Messpumpzelle die vorgegebene Spannung angelegt wird, wodurch in dem Fall des Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
(7) Gassensor nach einem der vorstehenden (2) bis (6), wobei
der Messmodus-Umschaltteil zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus umschaltet, wenn der Messmodus-Umschaltteil bestimmt, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem Strommessmodus erfasst wird, niedriger ist als ein vorgegebener erster Konzentrationsschwellenwert C1, und
der Messmodus-Umschaltteil zu dem Strommessmodus umschaltet, wenn der Messmodus-Umschaltteil bestimmt, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem elektromotorische Kraft-Messmodus erfasst wird, höher ist als ein vorgegebener zweiter Konzentrationsschwellenwert C2.
D.h., in einem Bereich niedriger Konzentration, bei dem die Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas niedriger ist als der erste Konzentrationsschwellenwert C1, wird eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem elektromotorische Kraft-Messmodus mit einer höheren Messgenauigkeit in dem Bereich niedriger Konzentration erfasst; und in einem Bereich hoher Konzentration, bei dem die Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas höher ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2, wird eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Strommessmodus mit einer höheren Messgenauigkeit in dem Bereich hoher Konzentration erfasst.
(8) Gassensor nach dem vorstehenden (7), wobei der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2.
(9) Gassensor nach einem der vorstehenden (2) bis (8), wobei
in dem Strommessmodus ein Stromwert in der Strom-Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Wert einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle ein vorgegebener Wert ist.
(10) Gassensor nach einem der vorstehenden (1) bis (8), wobei die Referenzelektrode als die äußere Messelektrode wirkt.
(11) Steuerverfahren eines Gassensors zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in einem Messgegenstandsgas, wobei der Gassensor ein Sensorelement und eine Steuereinheit zum Steuern des Sensorelements umfasst, wobei
das Sensorelement umfasst:

einen Basisteil in einer länglichen Plattenform, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst;
einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil, der von einem Endteil in einer Längsrichtung des Basisteils ausgebildet ist;
eine Einstellpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle umfasst: eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils angeordnet ist; und eine äußere Pumpelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht;
eine Strom-Messpumpzelle zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle umfasst: eine innere Messelektrode, die an einer Position weiter entfernt von dem einen Endteil in der Längsrichtung des Basisteils angeordnet ist als die innere Pumpelektrode auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils; und eine äußere Messelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht;
eine Referenzelektrode, die so innerhalb des Basisteils angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und
eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die innere Messelektrode und die Referenzelektrode umfasst, und
die Steuereinheit umfasst:
- eine Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht, und
- wobei das Steuerverfahren umfasst:
  - einen Konzentration-Erfassungsschritt des Durchführens eines elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem die Einstellpumpzelle betrieben wird und die Strom-Messpumpzelle nicht zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle betrieben wird, oder eines Strommessmodus, in dem die Einstellpumpzelle und die Strom-Messpumpzelle zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts in der Strom-Messpumpzelle betrieben werden, während zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus unter Verwendung der Umschalteinheit umgeschaltet wird.

(12) Steuerverfahren nach dem vorstehenden (11), wobei in dem Konzentration-Erfassungsschritt
die Umschalteinheit so umgeschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle zum Umschalten zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus kein Strom fließt, wenn bestimmt wird, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem Strommessmodus erfasst wird, niedriger ist als ein vorgegebener erster Konzentrationsschwellenwert C1, und
die Umschalteinheit so umgeschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle zum Umschalten zu dem Strommessmodus ein Strom fließt, wenn bestimmt wird, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem elektromotorische Kraft-Messmodus bestimmt wird, höher ist als ein vorgegebener zweiter Konzentrationsschwellenwert C2.
(13) Steuerverfahren nach dem vorstehenden (12), wobei der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2.
Vorteilhafter Effekt der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann selbst eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases genau gemessen werden. Insbesondere kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein zu messendes Zielgas in einem breiten Konzentrationsbereich, einschließlich eine niedrige Konzentration eines zu messenden Zielgases, genau gemessen werden.
Figurenliste

[1] 1 ist eine vertikale schematische Schnittansicht in einer Längsrichtung, die ein Beispiel eines allgemeinen Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt.
[2] 2 ist ein Blockdiagramm, das elektrische Verbindungen zwischen einer Steuereinheit 90 und jeweiligen Pumpzellen 21, 50 und 41, jeweiligen Sensorzellen 80, 81, 82 und 83 und einem Heizeinrichtungsteil 70 eines Sensorelements 101 zeigt.
[3] 3 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel einer Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und einem Pumpstrom Ip2 in dem Gassensor 100 zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die NOx-Konzentration (ppm) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt einen Wert des Pumpstroms Ip2 (µA) dar.
[4] 4 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel einer Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und einer offenen elektromotorischen Kraft V2offen in dem Gassensor 100 zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die NOx-Konzentration (ppm) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt einen Wert der offenen elektromotorischen Kraft V2offen (mV) dar.
[5] 5 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel für die Zeitvariation eines erfassten Werts der NOx-Konzentration, der durch den Gassensor 100 ausgegeben wird, und eines Umschaltens von Messmodi zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die Zeit (Sekunden) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt den erfassten Wert der NOx-Konzentration (ppm), der durch den Gassensor 100 ausgegeben wird, dar.
[6] 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für den Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration in dem Gassensor 100 zeigt.

MODI ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst ein Sensorelement und eine Steuereinheit zum Steuern des Sensorelements.
Das Sensorelement, das in dem Gassensor der vorliegenden Erfindung enthalten ist, umfasst:

einen Basisteil in einer länglichen Plattenform, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst;
einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil, der von einem Endteil in einer Längsrichtung des Basisteils ausgebildet ist;
eine Einstellpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle umfasst: eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils angeordnet ist; und eine äußere Pumpelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht;
eine Strom-Messpumpzelle zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle umfasst: eine innere Messelektrode, die an einer Position weiter entfernt von dem einen Endteil in der Längsrichtung des Basisteils angeordnet ist als die innere Pumpelektrode auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils; und eine äußere Messelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht;
eine Referenzelektrode, die so innerhalb des Basisteils angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und
eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die innere Messelektrode und die Referenzelektrode umfasst. Dabei entspricht in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die Referenzelektrode der inneren Messelektrode.

Die Steuereinheit, die in dem Gassensor der vorliegenden Erfindung enthalten ist, umfasst eine Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht.
Nachstehend wird ein Beispiel einer Ausführungsform eines Gassensors der vorliegenden Erfindung detailliert beschrieben.
[Allgemeiner Aufbau des Gassensors]
Der Gassensor der vorliegenden Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine vertikale schematische Schnittansicht in der Längsrichtung, die ein Beispiel eines allgemeinen Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt, der ein Sensorelement 101 umfasst. Nachstehend sind auf der Basis von 1 die obere Seite und die untere Seite in der 1 jeweils als oben und unten festgelegt und die linke Seite und die rechte Seite in der 1 sind jeweils als eine vordere Endseite und eine hintere Endseite festgelegt.
In der 1 stellt der Gassensor 100 ein Beispiel eines NOx-Sensors dar, der NOx in einem Messgegenstandsgas durch das Sensorelement 101 erfasst und die Konzentration von NOx misst.
Ferner umfasst der Gassensor 100 eine Steuereinheit 90 zum Steuern des Sensorelements 101. Die Steuereinheit 90 umfasst eine Umschalteinheit 47 zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das elektrische Verbindungen zwischen der Steuereinheit 90 und dem Sensorelement 101 zeigt.
In dem Gassensor 100 kann die Umschalteinheit 47 einen Mechanismus zum Umschalten aufweisen, ob ein Strom durch eine Strom-Messpumpzelle 41 fließt oder nicht. Beispielsweise kann die Umschalteinheit 47 ein Schalter 47, wie er in der 1 gezeigt ist, oder ein Mechanismus sein, der einen Schalter umfasst. Der Schalter kann ein Kontaktschalter sein, der einen Kontakt in einem elektrischen Schaltkreis mechanisch öffnet und schließt, oder kann ein Schalter sein, der ein Schaltelement nutzt, das den Strom, der in dem elektrischen Schaltkreis fließt, ein- und ausschaltet. Das Schaltelement umfasst eine Diode, einen Thyristor, einen Transistor, einen MOSFET und dergleichen. Der Aufbau des Schalters kann von einem Fachmann in einer geeigneten Weise festgelegt werden. Durch AUS-Schalten des Schalters kann ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle 41 durch das Schalten unterbrochen werden, so dass durch die Strom-Messpumpzelle 41 kein Strom fließt. Durch EIN-Schalten des Schalters kann ein Leiten der Strom-Messpumpzelle 41 durch das Schalten stattfinden, so dass ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt.
Alternativ kann die Umschalteinheit 47 beispielsweise eine variable Stromversorgung 46 oder ein Mechanismus sein, der die variable Stromversorgung 46 umfasst. Durch Einstellen einer Spannung in der variablen Stromversorgung 46 auf Null ist es möglich, keine Spannung an die Strom-Messpumpzelle anzulegen, so dass derart geschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt. Durch Einstellen einer Spannung in der variablen Stromversorgung 46 auf einen vorgegebenen Wert kann die Spannung an die Strom-Messpumpzelle angelegt werden, so dass derart geschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
(Sensorelement)
Das Sensorelement 101 ist ein Element in einer länglichen Plattenform, das einen Basisteil 102 mit einer Struktur umfasst, bei der eine Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten schichtartig angeordnet ist. Die längliche Plattenform wird auch als lange Plattenform oder Bandform bezeichnet. Der Basisteil 102 weist eine Struktur auf, bei der sechs Schichten, nämlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6 in dieser Reihenfolge betrachtet von der Unterseite in der Zeichnung schichtartig angeordnet sind. Jede der sechs Schichten ist aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht ausgebildet, die beispielsweise Zirkoniumoxid (ZrO₂) enthält. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Diese sechs Schichten können alle die gleiche Dicke aufweisen oder die Dicke kann zwischen den Schichten variieren. Die Schichten sind mit einer Haftmittelschicht aus einem Festelektrolyten, der dazwischen angeordnet ist, aneinander angebracht, und der Basisteil 102 umfasst die Haftschicht. Während in der 1 ein Schichtaufbau gezeigt ist, der aus den sechs Schichten zusammengesetzt ist, ist der Schichtaufbau in der vorliegenden Erfindung nicht darauf beschränkt, und jedwede Anzahl von Schichten und jedweder Schichtaufbau sind möglich.
Das Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Stapeln von Keramik-Grünlagen, die den einzelnen Schichten nach dem Durchführen einer vorgegebenen Verarbeitung, eines Druckens einer Schaltkreisstruktur und dergleichen entsprechen, und dann Brennen der gestapelten Keramik-Grünlagen, so dass sie miteinander kombiniert werden, hergestellt.
Ein Gaseinlass 10 ist zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in einem Endteil in der Längsrichtung (nachstehend als vorderer Endteil bezeichnet) des Sensorelements 101 ausgebildet. Ein Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 ist in einer Form ausgebildet, so dass ein erster Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 in dieser Reihenfolge in der Längsrichtung von dem Gaseinlass 10 in Verbindung stehen.
Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 bilden Innenräume des Sensorelements 101. Jeder der Innenräume wird derart bereitgestellt, dass ein Abschnitt der Abstandshalterschicht 5 ausgehöhlt wird und die Oberseite von jedem der Innenräume durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt ist, die Unterseite von jedem der Innenräume durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, und die Seitenoberfläche von jedem der Innenräume durch die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt ist.
Jeder des ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteils 11, des zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteils 13 und des dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteils 30 ist als zwei seitlich längliche Schlitze bereitgestellt (mit der Längsrichtung der Öffnungen in der Richtung senkrecht zu der Zeichnung in der 1). Jeder des ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteils 11 und des zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteils 13 kann in einer Form vorliegen, so dass ein gewünschter Diffusionswiderstand erzeugt wird, jedoch ist die Form nicht auf die Schlitze beschränkt.
Der vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 ist als ein einzelner seitlich länglicher Schlitz (mit der Längsrichtung der Öffnung in der Richtung senkrecht zu der Zeichnung in der 1) zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt. Der vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 kann in einer Form vorliegen, so dass ein gewünschter Diffusionswiderstand erzeugt wird, jedoch ist die Form nicht auf den Schlitz beschränkt.
Ferner ist an einer Position weiter entfernt von dem vorderen Ende als der Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 ein Referenzgas-Einführungsraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Position angeordnet, wo der Referenzgas-Einführungsraum 43 seitlich durch die Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist. Der Referenzgas-Einführungsraum 43 weist eine Öffnung in dem anderen Endteil (nachstehend als hinterer Endteil bezeichnet) des Sensorelements 101 auf. Als Referenzgas zur NOx-Konzentrationsmessung wird beispielsweise Luft in den Referenzgas-Einführungsraum 43 eingeführt.
Eine Lufteinführungsschicht 48 ist eine Schicht, die aus porösem Aluminiumoxid ausgebildet ist, und ist so ausgebildet, dass ein Referenzgas über den Referenzgas-Einführungsraum 43 in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt wird. Die Lufteinführungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, und, wie es vorstehend beschrieben ist, die Lufteinführungsschicht 48, die zu dem Referenzgas-Einführungsraum 43 führt, ist um die Referenzelektrode 42 angeordnet. D.h., die Referenzelektrode 42 ist so angeordnet, dass sie mit einem Referenzgas über die Lufteinführungsschicht 48, die ein poröses Material ist, und den Referenzgas-Einführungsraum 43 in Kontakt ist. Wie es später beschrieben wird, kann die Referenzelektrode 42 zum Messen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in dem ersten inneren Hohlraum 20, dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem dritten inneren Hohlraum 61 verwendet werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermet-Elektrode (z.B. eine Cermet-Elektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 ist der Gaseinlass 10 zu dem Außenraum offen und das Messgegenstandsgas wird von dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 eingebracht.
In der vorliegenden Ausführungsform liegt der Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 in einer Form vor, so dass das Messgegenstandsgas durch den Gaseinlass 10 eingeführt wird, der an der vorderen Endoberfläche des Sensorelements 101 offen ist, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Form beschränkt. Beispielsweise muss der Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 keine Aussparung des Gaseinlasses 10 aufweisen. In diesem Fall dient der erste Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11 im Wesentlichen als Gaseinlass.
Beispielsweise kann der Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 eine Öffnung aufweisen, die mit dem Pufferraum 12 oder einer Position in der Nähe des Pufferraums 12 des ersten inneren Hohlraums 20 auf einer Seitenoberfläche entlang der Längsrichtung des Basisteils 102 in Verbindung steht. In diesem Fall wird das Messgegenstandsgas von der Seitenoberfläche entlang der Längsrichtung des Basisteils 102 durch die Öffnung eingeführt.
Ferner kann der Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 beispielsweise so ausgebildet sein, dass das Messgegenstandsgas durch einen porösen Körper eingeführt wird.
Der erste Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, das durch den Gaseinlass 10 aufgenommen wird.
Der Pufferraum 12 ist zum Leiten des Messgegenstandsgases, das von dem ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 bereitgestellt.
Der zweite Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird.
Es ist ausreichend, dass die Menge des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll, innerhalb eines vorgegebenen Bereichs liegt. D.h., es ist ausreichend, dass ein vorgegebener Diffusionswiderstand in der Gesamtheit von dem vorderen Endteil des Sensorelements 101 zu dem zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 erzeugt wird. Beispielsweise kann der erste Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11 direkt mit dem ersten inneren Hohlraum 20 in Verbindung stehen oder der Pufferraum 12 und der zweite Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 können fehlen.
Der Pufferraum 12 ist zum Vermindern des Einflusses einer Druckschwankung auf den erfassten Wert, wenn der Druck des Messgegenstandsgases schwankt, bereitgestellt.
Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das aufgrund einer Druckschwankung des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Kraftfahrzeugabgas ist) rasch durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt. Vielmehr wird das Messgegenstandsgas in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem die Druckschwankung des Messgegenstandsgases durch den ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 beseitigt worden ist. Folglich wird die Druckschwankung des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar.
Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Das Sensorelement 101 umfasst eine Einstellpumpzelle, die eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15 angeordnet ist, und eine äußere Pumpelektrode umfasst, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 auf dem Basisteil 102 verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht. In dieser Ausführungsform wirken die Hauptpumpzelle 21 und eine Hilfspumpzelle 50 als die Einstellpumpzellen. Ferner wirken eine innere Hauptpumpelektrode 22 und eine Hilfspumpelektrode 51 als die inneren Pumpelektroden und eine äußere Pumpelektrode 23 wirkt als die äußere Pumpelektrode.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, welche die innere Hauptpumpelektrode 22, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15 angeordnet ist, und die äußere Pumpelektrode 23 umfasst, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 auf dem Basisteil 102 (in der 1 auf einer äußeren Oberfläche des Basisteils 102) verschieden ist und der inneren Hauptpumpelektrode 22 entspricht. Der Ausdruck „entspricht der inneren Hauptpumpelektrode 22“ bedeutet, dass die äußere Pumpelektrode 23 und die innere Hauptpumpelektrode 22 mit der dazwischen angeordneten zweiten Festelektrolytschicht 6 versehen sind.
D.h., die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus der inneren Hauptpumpelektrode 22, die einen oberen Elektrodenabschnitt 22a aufweist, der im Wesentlichen auf der gesamten Oberfläche der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, die auf einem Bereich der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a entspricht, so dass sie zu dem Außenraum freiliegt, und der zweiten Festelektrolytschicht 6, die zwischen der inneren Hauptpumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 angeordnet ist, zusammengesetzt ist.
Die innere Hauptpumpelektrode 22 ist so ausgebildet, dass sie die obere und die untere Festelektrolytschicht (die zweite Festelektrolytschicht 6 und die erste Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 festlegen, und die Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwand festlegt, überspannt. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 festlegt, und ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 festlegt. Ferner sind seitliche Elektrodenabschnitte (nicht gezeigt) auf den Seitenwandoberflächen (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandteile des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, so dass sie den oberen Elektrodenabschnitt 22a und den unteren Elektrodenabschnitt 22b verbinden. Folglich ist die innere Hauptpumpelektrode 22 als tunnelartige Struktur in dem Bereich bereitgestellt, bei dem die seitlichen Elektrodenabschnitte angeordnet sind.
Die innere Hauptpumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind poröse Cermet-Elektroden (Elektroden in einem Zustand, bei dem eine Metallkomponente und eine Keramikkomponente gemischt sind). Die zu verwendende Keramikkomponente ist nicht speziell beschränkt, jedoch handelt es sich wie in dem Fall des Basisteils 102 vorzugsweise um einen Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolyten. Beispielsweise kann ZrO₂ als die Keramikkomponente verwendet werden.
Die innere Hauptpumpelektrode 22, die mit einem Messgegenstandsgas in Kontakt sein soll, wird unter Verwendung eines Materials mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf eine NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas ausgebildet. Die innere Hauptpumpelektrode 22 enthält vorzugsweise ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) und ein Edelmetall (z.B. Au, Ag), das die katalytische Aktivität eines Edelmetalls mit einer katalytischen Aktivität in Bezug auf ein zu messendes Zielgas (in dieser Ausführungsform NOx) vermindert. In dieser Ausführungsform ist die innere Hauptpumpelektrode 22 als eine poröse Cermet-Elektrode ausgebildet, die aus Pt, das 1 % Au enthält, und ZrO₂ hergestellt ist.
Die äußere Pumpelektrode 23 kann das vorstehend beschriebene Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität enthalten. Entsprechend kann die Referenzelektrode 42 das vorstehend beschriebene Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität enthalten. In dieser Ausführungsform ist die äußere Pumpelektrode 23 als eine poröse Cermet-Elektrode ausgebildet, die aus Pt und ZrO₂ hergestellt ist.
In der Hauptpumpzelle 21 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der inneren Hauptpumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch eine variable Stromversorgung 24 angelegt, so dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der inneren Hauptpumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 entweder in einer positiven oder einer negativen Richtung fließt, und folglich kann Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinausgepumpt werden oder Sauerstoff kann von dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 hineingepumpt werden.
Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 bilden die innere Hauptpumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, nämlich eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80.
Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 kann durch eine elektromotorische Kraft V0 erfasst werden, die in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 gemessen wird. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Pumpspannung Vp0 in der variablen Stromversorgung 24, so eingestellt, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant ist. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Der dritte Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt worden ist, und leitet das Messgegenstandsgas in den zweiten inneren Hohlraum 40.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum zum genaueren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 eingeführt worden ist. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 eingestellt. Das Sensorelement 101 kann ohne den zweiten inneren Hohlraum 40 und die Hilfspumpzelle 50 ausgebildet sein. Im Hinblick auf die Einstellungsgenauigkeit des Sauerstoffpartialdrucks ist es mehr bevorzugt, dass der zweite innere Hohlraum 40 und die Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt sind.
Nachdem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem Messgegenstandsgas im Vorhinein in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt worden ist, wird das Messgegenstandsgas durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 eingeführt und wird ferner einer Einstellung des Sauerstoffpartialdrucks durch die Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 unterzogen. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und die NOx-Konzentration kann in dem Gassensor 100 mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Pumpzelle, welche die Hilfspumpelektrode 51, die an einer Position weiter entfernt von dem vorderen Endabschnitt in der Längsrichtung des Basisteils 102 angeordnet ist als die innere Hauptpumpelektrode 22 auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15, und die äußere Pumpelektrode 23 umfasst, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 auf dem Basisteil 102 (in der 1 auf der Außenoberfläche des Basisteils 102) verschieden ist und der Hilfspumpelektrode 51 entspricht. Der Ausdruck „entspricht der Hilfspumpelektrode 51“ bedeutet, dass die äußere Pumpelektrode 23 und die Hilfspumpelektrode 51 mit der dazwischen angeordneten zweiten Festelektrolytschicht 6 versehen sind.
D.h., die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus der Hilfspumpelektrode 51, die einen oberen Elektrodenabschnitt 51a aufweist, der im Wesentlichen auf der gesamten Oberfläche der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (die äußere Elektrode ist nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt, sondern es kann sich um jedwede geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 handeln) und der zweiten Festelektrolytschicht 6 zusammengesetzt ist.
Diese Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 in einer tunnelartigen Struktur entsprechend der inneren Hauptpumpelektrode 22 angeordnet, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist. Insbesondere ist in der tunnelartigen Struktur der obere Elektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 festlegt, ein unterer Elektrodenabschnitt 51b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 festlegt, und seitliche Elektrodenabschnitte (nicht gezeigt), die den oberen Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51b verbinden, sind auf den Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, welche die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 festlegen.
Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpelektrode 51 unter Verwendung eines Materials mit einem abgeschwächten Vermögen zum Reduzieren einer NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas ausgebildet ist, wie dies bei der inneren Hauptpumpelektrode 22 der Fall ist. Die Hilfspumpelektrode 51 enthält, wie dies bei der inneren Hauptpumpelektrode 22 der Fall ist, vorzugsweise ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) und ein Edelmetall (z.B. Au, Ag), das die katalytische Aktivität eines Edelmetalls mit einer katalytischen Aktivität in Bezug auf ein zu messendes Zielgas (in dieser Ausführungsform NOx) vermindert. In dieser Ausführungsform ist die Hilfspumpelektrode 51 als eine poröse Cermet-Elektrode ausgebildet, die aus Pt, das 1 % Au enthält, und ZrO₂ hergestellt ist.
In der Hilfspumpzelle 50 kann durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch eine variable Stromversorgung 52 Sauerstoff in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinausgepumpt werden oder der Sauerstoff kann von dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 hineingepumpt werden.
Zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine elektrochemische Sensorzelle, nämlich eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81.
Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen mit der variablen Stromversorgung 52 durch, deren Spannung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft V1 gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen so niedrigen Partialdruck eingestellt, dass die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst wird.
Darüber hinaus wird ein Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 als Steuersignal zum Steuern der elektromotorischen Kraft V0 eingespeist und folglich wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so gesteuert, dass er konstant bleibt. Bei der Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Wirkungen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
Der vierte Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 noch niedriger eingestellt worden ist, und leitet das Messgegenstandsgas in den dritten inneren Hohlraum 61.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum zum Messen der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 eingeführt wird. Die NOx-Konzentration wird durch eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 oder durch den Betrieb der Strom-Messpumpzelle 41 gemessen.
Die Strom-Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Messelektrode (in dieser Ausführungsform eine Messelektrode 44), die an einer Position weiter entfernt von dem vorderen Endabschnitt in der Längsrichtung des Basisteils 102 angeordnet ist als die innere Pumpelektrode (in dieser Ausführungsform die innere Hauptpumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51) auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15, und eine äußere Messelektrode umfasst, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil 15 auf dem Basisteil 102 verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht. In dieser Ausführungsform wirkt die äußere Pumpelektrode 23, die auf der äußeren Oberfläche des Basisteils 102 angeordnet ist, auch als die äußere Messelektrode. Der Ausdruck „entspricht der inneren Messelektrode“ bedeutet, dass die äußere Pumpelektrode 23 und die Messelektrode 44 mit der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4, die dazwischen angeordnet sind, versehen sind.
D.h., die Strom-Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Strom-Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus der Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 zusammengesetzt ist.
Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermet-Elektrode. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der NOx reduziert, das in der Atmosphäre in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorliegt. Die Messelektrode 44 ist eine Elektrode, die ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) enthält. Es ist bevorzugt, dass die Messelektrode 44 kein Edelmetall (z.B. Au, Ag) enthält, das die katalytische Aktivität eines Edelmetalls mit einer katalytischen Aktivität in Bezug auf ein zu messendes Zielgas (in dieser Ausführungsform NOx) vermindert. In dieser Ausführungsform ist die Messelektrode 44 als eine poröse Cermet-Elektrode ausgebildet, die aus Pt und Rh sowie ZrO₂ hergestellt ist.
Die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 umfasst die innere Messelektrode (in dieser Ausführungsform die Messelektrode 44) und die Referenzelektrode 42, und ist zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode 42 ausgebildet. Dabei entspricht die Referenzelektrode 42 der Messelektrode 44. Der Ausdruck „entspricht der Messelektrode 44“ bedeutet, dass die Referenzelektrode 42 und die Messelektrode 44 mit der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3, die dazwischen angeordnet sind, versehen sind.
D.h., die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 ist eine elektrochemische Sensorzelle, die aus der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 zusammengesetzt ist. Die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst den Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44.
Die Strom-Messpumpzelle 41 ist zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt oder nicht, durch die Umschalteinheit 47 ausgebildet. Nachstehend wird der Gassensor 100, in dem die Umschalteinheit 47 der Schalter 47 ist, als ein Beispiel unter Bezugnahme auf die 1 beschrieben. Die Umschalteinheit 47 ist in der 1 schematisch mit einem Schaltkreissymbol eines Kontaktschalters gezeigt, jedoch kann die Umschalteinheit 47 ein Schalter sein, der ein Umschaltelement nutzt. Eine Position der Umschalteinheit 47 ist nicht auf die in der 1 gezeigte Position beschränkt, sondern die Umschalteinheit 47 kann sich an einer beliebigen Stelle in dem Schaltkreis der Strom-Messpumpzelle 41 befinden.
Wenn die Umschalteinheit 47 AUS-geschaltet wird, wird die elektrische Verbindung der Strom-Messpumpzelle 41 unterbrochen, so dass kein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt. Der Ausdruck „es fließt kein Strom“ bedeutet, dass ein Stromwert in der Strom-Messpumpzelle 41 Null oder im Wesentlichen Null ist.
Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 bei der Bedingung, dass der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N₂ + O₂), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff verbleibt in der Umgebung der Messelektrode 44. Als Ergebnis wird in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 eine elektromotorische Kraft erzeugt, die der Differenz zwischen der Menge des Sauerstoffs, der durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge des Sauerstoffs, der in der Referenzluft enthalten ist, entspricht. Die erzeugte elektromotorische Kraft wird als eine offene elektromotorische Kraft V2offen bezeichnet. Da die Menge des Sauerstoffs, der in der Referenzluft enthalten ist, konstant ist, ist ein Wert der offenen elektromotorischen Kraft V2offen ein Wert, der einer Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas entspricht. Daher kann die Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas durch Verwenden der offenen elektromotorischen Kraft V2offen, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, berechnet werden.
Wenn die Umschalteinheit 47 EIN-geschaltet wird, wird die Strom-Messpumpzelle 41 elektrisch verbunden, so dass ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt.
Auch in diesem Fall erreicht das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 bei der Bedingung, dass der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N₂ + O₂), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Strom-Messpumpzelle 41 gepumpt werden. Dabei wird die elektromotorische Kraft, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, für eine Steuerspannung V2 verwendet und eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 wird so geregelt, dass die Steuerspannung V2 konstant ist. Da die Menge des Sauerstoffs, der in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zu der Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas ist, kann die Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung eines Pumpstroms Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 berechnet werden.
Ferner bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle 83 und der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann durch eine elektromotorische Kraft Vref erfasst werden, die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner einen Heizeinrichtungsteil 70, der als Temperaturregler des Erwärmens und Haltens der Temperatur des Sensorelements 101 wirkt, so dass die Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten erhöht wird. Der Heizeinrichtungsteil 70 umfasst eine Heizeinrichtungselektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, einen Heizeinrichtung-Anschlussleiter 76, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 und eine Druckentlastungseinrichtung 75.
Die Heizeinrichtungselektrode 71 ist eine Elektrode, die in Kontakt mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ausgebildet ist. Der Strom kann dem Heizeinrichtungsteil 70 von außerhalb durch Verbinden der Heizeinrichtungselektrode 71 mit einer Heizeinrichtung-Stromversorgung 77, die eine externe Stromversorgung ist, zugeführt werden.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der durch die zweite Substratschicht 2 und die dritte Substratschicht 3 von oberhalb und unterhalb eingeschlossen bzw. umgeben ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungselektrode 71 über einen Heizeinrichtung-Anschlussleiter 76, der mit der Heizeinrichtung 72 verbunden ist und sich in der hinteren Endseite in der Längsrichtung des Sensorelements 101 erstreckt, und das Durchgangsloch 73 verbunden. Die Heizeinrichtung 72 wird von außerhalb durch die Heizeinrichtungselektrode 71 zum Erzeugen von Wärme mit Strom versorgt, und erwärmt den Festelektrolyten, der das Sensorelement 101 bildet, und hält dessen Temperatur aufrecht.
Die Heizeinrichtung 72 ist über den gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet, so dass die Temperatur des gesamten Sensorelements 101 auf eine Temperatur eingestellt werden kann, die den Festelektrolyten aktiviert. Die Temperatur kann so eingestellt werden, dass die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Strom-Messpumpzelle 41 betrieben werden können. Es ist nicht erforderlich, dass der gesamte Bereich auf die gleiche Temperatur eingestellt wird, sondern das Sensorelement 101 kann eine Temperaturverteilung aufweisen.
In dem Sensorelement 101 der vorliegenden Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 72 in dem Basisteil 102 eingebettet, jedoch ist diese Form nicht beschränkend. Die Heizeinrichtung 72 kann so angeordnet sein, dass sie den Basisteil 102 erwärmt. D.h., die Heizeinrichtung 72 kann das Sensorelement 101 zum Entwickeln einer Sauerstoffionenleitfähigkeit erwärmen, mit der die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Strom-Messpumpzelle 41 betrieben werden können. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 72 wie in der vorliegenden Ausführungsform in dem Basisteil 102 eingebettet sein. Alternativ kann beispielsweise der Heizeinrichtungsteil 70 als Heizeinrichtungssubstrat ausgebildet sein, das von dem Basisteil 102 getrennt ist, und er kann an einer Position angrenzend an den Basisteil 102 angeordnet sein.
Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 ist aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 und des Heizeinrichtung-Anschlussleiters 76 ausgebildet. Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 ist ausgebildet, um eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 sowie dem Heizeinrichtung-Anschlussleiter 76 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 sowie dem Heizeinrichtung-Anschlussleiter 76 sicherzustellen.
Die Druckentlastungseinrichtung 75 erstreckt sich durch die dritte Substratschicht 3, so dass die Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 und der Referenzgas-Einführungsraum 43 miteinander kommunizieren. Die Druckentlastungseinrichtung 75 kann eine Zunahme des Innendrucks aufgrund eines Temperaturanstiegs in der Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 vermindern. Die Druckentlastungseinrichtung 75 kann fehlen.
Das vorstehend beschriebene Sensorelement 101 wird in einer Form in den Gassensor 100 einbezogen, so dass der vordere Endteil des Sensorelements 101 mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt und der hintere Endteil des Sensorelements 101 mit dem Referenzgas in Kontakt kommt.
(Steuereinheit)
Der Gassensor 100 dieser Ausführungsform umfasst das vorstehend beschriebene Sensorelement 101 und die Steuereinheit 90 zum Steuern des Sensorelements 101. In dem Gassensor 100 ist jede der Elektroden 22, 23, 51, 44 und 42 des Sensorelements 101 durch einen nicht gezeigten Anschlussdraht elektrisch mit der Steuereinheit 90 verbunden. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das elektrische Verbindungen zwischen der Steuereinheit 90 und den jeweiligen Pumpzellen 21, 50 und 41, den jeweiligen Sensorzellen 80, 81, 82 und 83 und dem Heizeinrichtungsteil 70 des Sensorelements 101 zeigt. Die Steuereinheit 90 umfasst die vorstehend beschriebenen variablen Stromversorgungen 24, 46 und 52, die Umschalteinheit 47 zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt oder nicht, und einen Steuerteil 91. Der Steuerteil 91 umfasst einen Betriebssteuerteil 92, einen Konzentrationsberechnungsteil 93 und einen Messmodus-Umschaltteil 94. Die Umschalteinheit 47 ist eine Komponente, die ein Steuersignal von dem Messmodus-Umschaltteil 94 erhält und umschaltet, ob ein Strom in die Strom-Messpumpzelle 41 zugeführt wird oder nicht.
Der Steuerteil 91 wird durch einen Mehrzweck-Computer oder einen speziellen Computer realisiert und Funktionen, wie z.B. der Betriebssteuerteil 92, der Konzentrationsberechnungsteil 93 und der Messmodus-Umschaltteil 94, werden durch eine CPU, einen Speicher oder dergleichen ausgeführt, die in dem Computer eingebaut sind. Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn NOx in dem Abgas von dem Motor eines Kraftfahrzeugs ein durch den Gassensor 100 zu messendes Zielgas ist und das Sensorelement 101 an einem Abgasweg angebracht ist, ein Teil der Funktionen oder alle Funktionen der Steuereinheit 90 (insbesondere der Steuereinheit 91) durch eine elektronische Steuereinheit (ECU) realisiert werden kann bzw. können, die in dem Kraftfahrzeug eingebaut ist.
Der Steuerteil 91 ist zum Erfassen einer elektromotorischen Kraft (V0, V1, V2, Vref) in jeder der Sensorzellen 80, 81, 82 und 83, eines Pumpstroms (Ip0, Ip1, Ip2) in jeder der Pumpzellen 21, 50 und 41 und einer Heizeinrichtungsspannung Vh und eines Heizeinrichtungsstroms Ih in dem Heizeinrichtungsteil 70 des Sensorelements 101 ausgebildet. Ferner ist der Steuerteil 91 zum Ausgeben von Steuersignalen an die variablen Stromversorgungen 24, 52 und 46, die Umschalteinheit 47 und die Heizeinrichtung-Stromversorgung 77 ausgebildet.
Der Betriebssteuerteil 92 ist derart zum Steuern des Heizeinrichtungsteils 70, der Hauptpumpzelle 21, der Hilfspumpzelle 50 und der Strom-Messpumpzelle 41 ausgebildet, dass der Gassensor 100 eine Konzentration eines zu messenden Zielgases (in dieser Ausführungsform eines NOx) messen kann.
Der Betriebssteuerteil 92 erwärmt die Heizeinrichtung 72 und hält die Temperatur der Heizeinrichtung 72 bei einer gewünschten Temperatur.
Zum Erwärmen der Heizeinrichtung 72 können verschiedene bekannte Steuerverfahren verwendet werden. Beispielsweise kann die Heizeinrichtung 72 durch Anlegen einer bestimmten Spannung an die Heizeinrichtung 72 erwärmt werden. Die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung-Stromversorgung 77 kann auf der Basis des Widerstandswerts der Heizeinrichtung 72 gesteuert werden. Alternativ kann die Ausgangsleistung der Heizeinrichtung-Stromversorgung 77 auf der Basis von mindestens einem von Widerstandswerten in der Hauptpumpzelle 21, der Hilfspumpzelle 50 und der Strom-Messpumpzelle 41 gesteuert werden.
Beispielsweise führt der Betriebssteuerteil 92 eine Regelung einer Steuersignalausgabe zu der Heizeinrichtung-Stromversorgung 77 auf der Basis eines Heizeinrichtungswiderstandswerts Rh (= Vh/Ih) durch, der aus der Heizeinrichtungsspannung Vh und dem Heizeinrichtungsstrom Ih in der Heizeinrichtung 72 berechnet wird, so dass die Heizeinrichtung 72 eine Zieltemperatur erreicht.
Der Betriebssteuerteil 92 führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 in der Hauptpumpzelle 21 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 bei einem konstanten Wert liegt (als Vorgabewert V0_SET bezeichnet). Die elektromotorische Kraft V0 gibt den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der inneren Hauptpumpelektrode 22 an und daher bedeutet, dass die elektromotorische Kraft V0 konstant gemacht wird, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der inneren Hauptpumpelektrode 22 konstant gemacht wird. Als Ergebnis variiert der Pumpstrom Ip0 in der Hauptpumpzelle 21 abhängig von der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas.
Wenn der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas höher ist als der Sauerstoffpartialdruck, der dem Vorgabewert V0_SET entspricht, pumpt die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 hinaus. Wenn andererseits der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas niedriger ist als der Sauerstoffpartialdruck, der dem Vorgabewert V0_SET entspricht (beispielsweise wenn Kohlenwasserstoffe HC oder dergleichen enthalten sind), pumpt die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff von dem Raum außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20. Daher kann der Wert des Pumpstroms Ip0 entweder positiv oder negativ sein.
Der Betriebssteuerteil 92 führt eine Regelung der Pumpspannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 in der Hilfspumpzelle 50 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V1 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 bei einem konstanten Wert liegt (als Vorgabewert V1_SET bezeichnet). Die elektromotorische Kraft V1 gibt den Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 an und daher bedeutet, dass die elektromotorische Kraft V1 konstant gemacht wird, dass der Sauerstoffpartialdruck in der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 konstant gemacht wird. Der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Raum 40 wird dadurch auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Gleichzeitig wird eine Regelung so durchgeführt, dass der Vorgabewert V0_SET der elektromotorischen Kraft V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 in der Hilfspumpzelle 50 so eingestellt wird, dass der Pumpstrom Ip1 bei einem konstant Werten liegt (als Vorgabewert Ip1_SET bezeichnet). Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 eingespeist und die elektromotorische Kraft V0 wird auf der Basis des Pumpstroms Ip1 so gesteuert, dass sie den Vorgabewert V0_SET erreicht, so dass der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas, das durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so eingestellt wird, dass er einen stets konstanten Gradienten aufweist. Bei der Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Raum 40 durch die Wirkung der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten. D.h., es wird davon ausgegangen, dass die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas, das durch den vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 in den dritten inneren Raum 61 eingeführt wird, bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten wird.
Der Betriebssteuerteil 92 weist auf: Einen elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50, die als die Einstellpumpzelle wirken, in der vorstehend beschriebenen Weise betrieben werden und die Strom-Messpumpzelle 41 zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft (der offenen elektromotorischen Kraft V2offen) in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 nicht betrieben wird; und einen Strommessmodus, in dem die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Strom-Messpumpzelle 41 zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts (des Pumpstroms Ip2) in der Strom-Messpumpzelle 41 betrieben werden.
In dem elektromotorische Kraft-Messmodus verhindert die Umschalteinheit 47, dass ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt. Das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration in der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf die vorgegebene Konzentration eingestellt worden ist, wird in den dritten inneren Hohlraum 61 eingeführt. In der Messelektrode 44 wird Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. In dem elektromotorische Kraft-Messmodus verbleibt der erzeugte Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode 44, ohne durch die Strom-Messpumpzelle 41 hinausgepumpt zu werden. In der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 wird die offene elektromotorische Kraft V2offen entsprechend der Differenz zwischen der Menge des Sauerstoffs, der durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge des Sauerstoffs, der in der Referenzluft enthalten ist, erzeugt. Der Betriebssteuerteil 92 erfasst die offene elektromotorische Kraft V2offen, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erzeugt wird. Dabei fließt in dem elektromotorische Kraft-Messmodus kein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41, d.h., eine elektromotorische Kraft, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erzeugt wird, ist die offene elektromotorische Kraft V2offen. In dieser Beschreibung wird der elektromotorische Kraft-Messmodus auch als offene elektromotorische Kraft-Messmodus bezeichnet.
In dem Strommessmodus ermöglicht die Umschalteinheit 47 das Fließen eines Stroms durch die Strom-Messpumpzelle 41. In dem Strommessmodus fährt der Betriebssteuerteil 92 mit dem Erfassen der elektromotorischen Kraft V2 fort, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird. In dem Strommessmodus führt der Betriebssteuerteil 92 eine Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 so durch, dass die elektromotorische Kraft V2, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, einen konstanten Wert aufweist (als Vorgabewert V2_SET bezeichnet). Der Vorgabewert V2_SET wird im Vorhinein derart als ein Wert eingestellt, dass die Sauerstoffkonzentration um die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration ist. Das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration in der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf die vorgegebene Konzentration eingestellt worden ist, wird in den dritten inneren Hohlraum 61 eingeführt. In der Messelektrode 44 wird Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Im Wesentlichen wird der gesamte erzeugte Sauerstoff durch den Betriebssteuerteil 92 hinausgepumpt, der den Pumpstrom Ip2 in die Strom-Messpumpzelle 41 zuführt. Der Vorgabewert V2_SET kann als ein Wert eingestellt werden, der derart ist, dass im Wesentlichen das gesamte NOx in der Messelektrode 44 zersetzt wird. Durch Einstellen des Vorgabewerts V2_SET auf diese Weise wird im Wesentlichen das gesamte NOx in dem Messgegenstandsgas als der Pumpstrom Ip2 in der Messelektrode 44 erfasst. In dem Strommessmodus wird die elektromotorische Kraft V2, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, als Steuerspannung zur Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 verwendet.
Der Pumpstrom Ip2, der in dem Strommessmodus erfasst wird, wird detailliert beschrieben. Die 3 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel einer Beziehung zwischen der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas und dem Pumpstrom Ip2 in dem Gassensor 100 zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die NOx-Konzentration (ppm) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt einen Wert des Pumpstroms Ip2 (µA) dar.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird in dem Strommessmodus im Wesentlichen der gesamte Sauerstoff, der durch die Reduktion von Stickstoffoxid erzeugt wird, durch den Betriebssteuerteil 92, der den Pumpstrom Ip2 an die Strom-Messpumpzelle 41 anlegt, hinausgepumpt. Daher ist der Pumpstrom Ip2 ein Stromwert, welcher der Menge des Sauerstoffs entspricht, der durch die Reduktion von Stickstoffoxid erzeugt wird. Die Menge des Sauerstoffs, der durch die Reduktion von Stickstoffoxid erzeugt wird, ist proportional zur Menge von reduziertem Stickstoffoxid. Wenn im Wesentlichen das gesamte Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas in der Messelektrode 44 zersetzt wird, ist die Menge des Sauerstoffs, der durch die Reduktion von Stickstoffoxid erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid (NOx-Konzentration). D.h., wie es in der 3 gezeigt ist, liegt zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2 über einem breiten Bereich der NOx-Konzentration eine lineare Beziehung vor. Auf der Basis dieser linearen Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2 kann der Gassensor 100 die NOx-Konzentration in dem breiten Konzentrationsbereich messen.
Wie es in der 3 gezeigt ist, umfasst der Pumpstrom Ip2 einen Offset-Strom Ip2Offset, der ungeachtet der NOx-Konzentration fließt, und einen konzentrationsabhängigen Strom Ip2Konz, der entsprechend der NOx-Konzentration fließt. Der konzentrationsabhängige Strom Ip2Konz ist ein Strom, der entsprechend einer Menge des Sauerstoffs fließt, der durch die Reduktion von Stickstoffoxid erzeugt worden ist, und ein Stromwert des konzentrationsabhängigen Stroms Ip2Konz ist etwa proportional zu der NOx-Konzentration.
Der Offset-Strom Ip2Offset ist ein Strom, der ungeachtet der NOx-Konzentration fließt. Der Offset-Strom Ip2Offset ist ein Strom, der durch Faktoren erzeugt wird, die von Sauerstoff verschieden sind, der durch die Zersetzung von NOx erzeugt wird, das ein zu messendes Zielgas ist. Es wird davon ausgegangen, dass der Offset-Strom Ip2Offset einen Strom umfasst, der durch restlichen Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration in der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 auf die vorgegebene Konzentration eingestellt worden ist, Sauerstoff, der durch die Zersetzung eines Teils von Wasser (H₂O) in dem Messgegenstandsgas an der Messelektrode 44 erzeugt worden ist, und dergleichen verursacht wird. Es wird auch davon ausgegangen, dass der Offset-Strom Ip2Offset einen Leckstrom von der Heizeinrichtung 72, die zum Erwärmen des Gassensors 100 mit Strom versorgt wird, einen Strom aufgrund einer Übertragung von Ladung, wie z.B. eines Elektrons, und einer Verunreinigung, die in der Messelektrode 44, der äußeren Pumpelektrode 23 und den Festelektrolytschichten enthalten ist (in der 1 der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4), welche die Strom-Messpumpzelle 41 bilden, und dergleichen umfasst.
Wenn sich der Stromwert des Offset-Stroms Ip2Offset aus irgendwelchen Gründen ändert, während der Gassensor 100 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erfasst, verändert sich der Pumpstrom Ip2, der in der Strom-Messpumpzelle 41 erfasst wird, um ein Änderungsausmaß ΔIp2Offset des Offset-Stroms Ip2Offset ungeachtet der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Es wird davon ausgegangen, dass sich der Offset-Strom Ip2Offset beispielsweise aufgrund einer Änderung der Elektrodentemperatur durch eine Änderung der Messgegenstandsgastemperatur und damit einhergehend einer Änderung der Ausgangsleistung der Heizeinrichtung-Stromversorgung 77 ändert. Es wird auch davon ausgegangen, dass sich der Offset-Strom Ip2Offset aufgrund einer Änderung der H₂O-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ändert.
Wenn ein Messgegenstandsgases gemessen wird, das eine hohe Konzentration von NOx enthält, ist der Pumpstrom Ip2, der in der Strom-Messpumpzelle 41 erfasst wird, relativ groß, so dass die Änderung des Pumpstroms Ip2 aufgrund der Änderung ΔIp2Offset des Offset-Stroms Ip2Offset relativ gering ist. Daher kann selbst dann, wenn sich der Offset-Strom Ip2Offset ändert, die NOx-Konzentration mit einer höheren Messgenauigkeit gemessen werden. Beispielsweise beträgt der Messfehler, wenn die Änderung ΔIp2Offset des Offset-Stroms Ip2Offset 5 ppm bezogen auf die NOx-Konzentration entspricht, 10 %, wenn ein Messgegenstandsgas mit einer NOx-Konzentration von 50 ppm gemessen wird, jedoch beträgt der Messfehler 1 %, wenn ein Messgegenstandsgas mit einer NOx-Konzentration von 500 ppm gemessen wird.
Andererseits ist es zur Messung eines Messgegenstandsgases, das eine niedrige Konzentration von NOx enthält, bevorzugt, dass ein Effekt der Änderung des Offset-Stroms Ip2Offset vermindert wird.
Der Offset-Strom Ip2Offset wird erzeugt, wenn die Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 an die Strom-Messpumpzelle 41 angelegt wird, so dass der Pumpstrom Ip2 fließt. Demgemäß fließt, wenn die Pumpspannung Vp2 in der Strom-Messpumpzelle 41 nicht angelegt wird, der Pumpstrom Ip2 nicht, so dass der Offset-Strom Ip2Offset nicht erzeugt wird. In dem Gassensor 100 kann durch Ausschalten der Umschalteinheit 47 zum Unterbrechen der elektrischen Verbindung in der Strom-Messpumpzelle 41, so dass durch die Strom-Messpumpzelle 41 kein Strom fließt, ein Zustand realisiert werden, bei dem der Offset-Strom Ip2Offset nicht erzeugt wird. In diesem Fall führt der Betriebssteuerteil 92 die Steuerung in dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus durch und erfasst die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82.
Die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 wird detailliert beschrieben. Die 4 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel einer Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in dem Gassensor 100 zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die NOx-Konzentration (ppm) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt einen Wert der offenen elektromotorischen Kraft V2offen (mV) dar.
In dem elektromotorische Kraft-Messmodus, wie er vorstehend beschrieben worden ist, wird die elektrische Verbindung der Strom-Messpumpzelle 41 unterbrochen, so dass kein Strom fließt. In diesem Fall wird in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 die offene elektromotorische Kraft V2offen entsprechend der Differenz zwischen der Menge des Sauerstoffs, der durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge des Sauerstoffs, der in der Referenzluft enthalten ist, erzeugt. Zwischen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen und der NO-Konzentration A liegt eine Beziehung vor, wie sie in der 4 gezeigt ist.
In dem elektromotorische Kraft-Messmodus liegt der Gassensor 100 in einem Zustand vor, bei dem der Pumpstrom Ip2 nicht fließt, so dass der Offset-Strom Ip2Offset nicht erzeugt wird. Daher kann die NOx-Konzentration auf der Basis der Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und der offenen elektromotorischen Kraft V2offen, wie es in der 4 gezeigt ist, genau gemessen werden, ohne dass sie durch den Offset-Strom Ip2Offset beeinflusst wird.
Wie es in der 4 gezeigt ist, ist die Änderung der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in Bezug auf die Änderung der NO-Konzentration umso größer, je niedriger die NO-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ist. D.h., je niedriger die NO-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ist, desto stärker ändert sich die offene elektromotorische Kraft V2offen in Bezug auf eine geringe Änderung der NO-Konzentration, und daher neigt die Auflösung der Messung dazu, höher zu sein. Folglich kann bei der Messung des Messgegenstandsgases, das eine niedrige Konzentration von NOx enthält, die NOx-Konzentration mit einer besonders hohen Messgenauigkeit gemessen werden.
Dabei wird in dem elektromotorische Kraft-Messmodus der Offset-Strom Ip2Offset nicht erzeugt, so dass die NOx-Konzentration in einem breiten Konzentrationsbereich genau gemessen werden kann, ohne durch den Offset-Strom Ip2Offset beeinflusst zu werden. Insbesondere bei der Messung eines Messgegenstandsgases, das eine niedrige Konzentration von NOx enthält, ist die Änderung der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in Bezug auf eine kleine Änderung der NOx-Konzentration groß und daher neigt die Auflösung der Messung dazu, höher zu sein. Demgemäß kann bei der Messung des Messgegenstandsgases, das eine niedrige Konzentration von NOx enthält, die NOx-Konzentration mit einer besonders hohen Messgenauigkeit gemessen werden.
In dem Strommessmodus liegt die lineare Beziehung, wie sie in der 3 gezeigt ist, zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration über einem breiten Bereich der NOx-Konzentration vor, so dass die NOx-Konzentration in dem breiten Konzentrationsbereich genau gemessen werden kann. Insbesondere in dem Fall der Messung des Messgegenstandsgases, das eine hohe Konzentration von NOx enthält, ist die Änderung des Pumpstroms Ip2 aufgrund der Änderung ΔIp2Offset des Offset-Stroms Ip2Offset relativ gering. Daher kann die NOx-Konzentration mit einer höheren Messgenauigkeit gemessen werden.
Der Konzentrationsberechnungsteil 93 ist zum Berechnen und Ausgeben einer NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas ausgebildet.
In dem elektromotorische Kraft-Messmodus erfasst der Konzentrationsberechnungsteil 93 die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82, berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines im Vorhinein gespeicherten Umwandlungsparameters (offene elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter) zwischen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen und der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas und gibt die NOx-Konzentration als Messwert des Gassensors 100 aus. Der offene elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter wird im Vorhinein als Daten, welche die Beziehung zeigen, wie sie in der 4 gezeigt ist, in dem Speicher des Steuerteils 91 gespeichert, der als der Konzentrationsberechnungsteil 93 wirkt. Der elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter kann von einem Fachmann beispielsweise durch im Vorhinein Durchführen eines Experiments mit dem Gassensor 100 in einer geeigneten Weise bestimmt werden. Der elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter kann beispielsweise der Koeffizient eines Näherungsausdrucks (z.B. einer logarithmischen Funktion) sein, der durch ein Experiment oder ein Kennfeld erhalten wird, das die Beziehung zwischen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen und der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas angibt. Der elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter kann für jeden einzelnen Gassensor 100 spezifisch sein oder kann einer Mehrzahl von Gassensoren gemeinsam sein.
In dem Strommessmodus erfasst der Konzentrationsberechnungsteil 93 den Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41, berechnet die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Basis eines im Vorhinein gespeicherten Umwandlungsparameters (Strom-Konzentration-Umwandlungsparameters) zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas und gibt die NOx-Konzentration als Messwert des Gassensors 100 aus. Der Strom-Konzentration-Umwandlungsparameter wird im Vorhinein als Daten, welche die lineare Beziehung zeigen, wie sie in der 3 gezeigt ist, in dem Speicher des Steuerteils 91 gespeichert, der als der Konzentrationsberechnungsteil 93 wirkt. Der Strom-Konzentration-Umwandlungsparameter kann durch einen Fachmann beispielsweise durch im Vorhinein Durchführen eines Experiments mit dem Gassensor 100 bestimmt werden. Der Strom-Konzentration-Umwandlungsparameter kann beispielsweise der Koeffizient eines Näherungsausdrucks (z.B. einer logarithmischen Funktion) sein, der durch ein Experiment oder ein Kennfeld erhalten wird, das die Beziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas angibt. Der Strom-Konzentration-Umwandlungsparameter kann für jeden einzelnen Gassensor 100 spezifisch sein oder kann einer Mehrzahl von Gassensoren gemeinsam sein.
Der Messmodus-Umschaltteil 94 ist zum Durchführen eines Umschaltens zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus, die vorstehend beschrieben worden sind, ausgebildet.
Der Messmodus-Umschaltteil 94 schaltet die Umschalteinheit so um, dass ein Strom in dem Fall eines Umschaltens von dem Strommessmodus zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus nicht oder im Wesentlichen nicht durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt. In dieser Ausführungsform gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Steuersignal an die Umschalteinheit 47 aus, so dass diese AUS ist. Ferner gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 Anweisungen an den Betriebssteuerteil 92 zur Durchführung der Steuerung in dem elektromotorische Kraft-Messmodus aus. In diesem Fall führt der Betriebssteuerteil 92 nicht die vorstehend beschriebene Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 durch und erfasst die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82. Der Messmodus-Umschaltteil 94 gibt Anweisungen an den Konzentrationsberechnungsteil 93 zum Erfassen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 aus und berechnet die NOx-Konzentration auf der Basis des elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameters.
Der Messmodus-Umschaltteil 94 schaltet die Umschalteinheit in dem Fall eines Umschaltens von dem elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus so um, dass ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle 41 fließt. In dieser Ausführungsform gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Steuersignal an die Umschalteinheit 47 aus, so dass diese EIN ist. Ferner gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 Anweisungen an den Betriebssteuerteil 92 zur Durchführung der Steuerung in dem Strommessmodus aus. In diesem Fall führt der Betriebssteuerteil 92 die vorstehend beschriebene Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 aus und erfasst den Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41. Der Messmodus-Umschaltteil 94 gibt Anweisungen an den Konzentrationsberechnungsteil 93 zum Erfassen des Pumpstroms Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 aus und berechnet die NOx-Konzentration auf der Basis des Strom-Konzentration-Umwandlungsparameters.
Das Umschalten zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus kann auf der Basis der NOx-Konzentration durchgeführt werden, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 ausgegeben wird. Der Messmodus-Umschaltteil 94 (insbesondere der Speicher, der als der Messmodus-Umschaltteil 94 in der Steuereinheit 91 wirkt) speichert im Vorhinein einen ersten Konzentrationsschwellenwert C1, der ein Schwellenwert zum Umschalten von dem Strommessmodus zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus ist, und einen zweiten Konzentrationsschwellenwert C2, der ein Schwellenwert zum Umschalten von dem elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus ist. Der Messmodus-Umschaltteil 94 kann die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 ausgegeben wird, kontinuierlich erfassen, oder kann die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 ausgegeben wird, bei vorgegebenen Intervallen erfassen.
Der Messmodus-Umschaltteil 94 erfasst die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 in dem Strommessmodus ausgegeben wird, und schaltet zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus um, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 bestimmt, dass die NOx-Konzentration in einem Bereich niedriger Konzentration liegt, bei dem die NOx-Konzentration niedriger ist als ein vorgegebener erster Konzentrationsschwellenwert C1. Der Messmodus-Umschaltteil 94 behält den Strommessmodus bei, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 bestimmt, dass die NOx-Konzentration mit dem vorgegebenen ersten Konzentrationsschwellenwert C1 identisch oder höher als dieser ist.
Der Messmodus-Umschaltteil 94 erfasst auch die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 in dem elektromotorische Kraft-Messmodus ausgegeben wird, und schaltet zu dem Strommessmodus um, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 bestimmt, dass die NOx-Konzentration in einem Bereich hoher Konzentration liegt, bei dem die NOx-Konzentration höher ist als ein vorgegebener zweiter Konzentrationsschwellenwert C2. Der Messmodus-Umschaltteil 94 behält den elektromotorische Kraft-Messmodus bei, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 bestimmt, dass die NOx-Konzentration mit dem vorgegebenen zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 identisch oder niedriger als dieser ist.
Der erste Konzentrationsschwellenwert C1, welcher der Schwellenwert zum Umschalten von dem Strommessmodus zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus ist, kann durch einen Fachmann in einer geeigneten Weise bestimmt werden. Der erste Konzentrationsschwellenwert C1 kann abhängig von dem vermuteten Konzentrationsbereich von NOx in dem Messgegenstandsgas und der Messgenauigkeit, die für den Gassensor 100 erforderlich ist, verschiedene Werte annehmen. Der erste Konzentrationsschwellenwert C1 kann eine Untergrenze der NOx-Konzentration sein, bei der eine gewünschte Messgenauigkeit beim Messen in dem Strommessmodus erhalten werden kann. Der erste Konzentrationsschwellenwert C1 kann beispielsweise eine Untergrenze der NOx-Konzentration sein, bei der ein Wert des Offset-Stroms Ip2Offset bezüglich der Messgenauigkeit in einem akzeptablen Bereich liegt. Alternativ kann der erste Konzentrationsschwellenwert C1 beispielsweise eine Untergrenze der NOx-Konzentration sein, bei der ein Wert der Änderung ΔIp2Offset des Offset-Stroms Ip2Offset bezüglich der Messgenauigkeit in einem akzeptablen Bereich liegt. Der erste Konzentrationsschwellenwert C1 kann beispielsweise in einem Bereich von 50 ppm bis 500 ppm liegen. Beispielsweise kann der erste Konzentrationsschwellenwert C1 100 ppm betragen.
Der zweite Konzentrationsschwellenwert C2, welcher der Schwellenwert zum Umschalten von dem elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus ist, kann durch einen Fachmann in einer geeigneten Weise bestimmt werden. Der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann abhängig von dem vermuteten Konzentrationsbereich von NOx in dem Messgegenstandsgas und der Messgenauigkeit, die für den Gassensor 100 erforderlich ist, verschiedene Werte annehmen. Der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann eine Obergrenze der NOx-Konzentration sein, bei der eine gewünschte Messgenauigkeit erhalten werden kann, wenn in dem elektromotorische Kraft-Messmodus gemessen wird. Der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann beispielsweise eine Obergrenze der NOx-Konzentration sein, bei der ein Änderungsausmaß der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in Bezug auf ein Änderungsausmaß der NO-Konzentration bezüglich der Auflösung der Messung in einem akzeptablen Bereich liegt. Der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann beispielsweise in einem Bereich von 50 ppm bis 500 ppm liegen. Beispielsweise kann der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 300 ppm betragen.
Der erste Konzentrationsschwellenwert C1 und der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 können den gleichen Wert aufweisen oder können voneinander verschieden sein. Wenn der erste Konzentrationsschwellenwert C1 und der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 den gleichen Wert aufweisen, wird der elektromotorische Kraft-Messmodus in dem Bereich niedriger Konzentration ausgeführt, bei dem die NOx-Konzentration niedriger ist als der erste Konzentrationsschwellenwert C1 (= der zweite Konzentrationsschwellenwert C2), und der Strommessmodus wird in dem Bereich hoher Konzentration durchgeführt, bei dem die NOx-Konzentration mit dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 (= dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2) identisch oder höher als dieser ist.
Es ist mehr bevorzugt, dass der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2. Mit anderen Worten, es ist mehr bevorzugt, dass zwei Schwellenwerte verwendet werden, die einen Konzentrationsbereich aufweisen.
Die 5 ist ein Graph, der schematisch ein Beispiel für eine Zeitvariation des erfassten Werts der NOx-Konzentration, der durch den Gassensor 100 ausgegeben wird, und des Umschaltens der Messmodi zeigt. Die horizontale Achse des Graphen stellt die Zeit (Sekunden) dar und die vertikale Achse des Graphen stellt den erfassten Wert der NOx-Konzentration (ppm), der durch den Gassensor 100 ausgegeben wird, dar.
Wie es in der 5 gezeigt ist, wird dann, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas (d.h., die NOx-Konzentration, die durch den Gassensor 100 ausgegeben wird) unter den ersten Konzentrationsschwellenwert C1 fällt, der Messmodus zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus umgeschaltet. Selbst wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas um den ersten Konzentrationsschwellenwert C1 schwankt und den ersten Konzentrationsschwellenwert C1 nach dem Umschalten zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus übersteigt, wird der elektromotorische Kraft-Messmodus ohne Umschalten zu dem Strommessmodus fortgesetzt, bis die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas den zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 übersteigt. Danach wird, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas den zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 übersteigt, der Messmodus zu dem Strommessmodus umgeschaltet. Selbst wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas um den zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 schwankt und nach dem Umschalten zu dem Strommessmodus unter den zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 fällt, wird der Strommessmodus ohne Umschalten zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus fortgesetzt, bis die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter den ersten Konzentrationsschwellenwert C1 fällt.
Folglich dient, wenn der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2, der Konzentrationsbereich (Zwischenkonzentrationsbereich) zwischen dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 und dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 als Pufferbereich, bei dem der aktuelle Messmodus ohne Umschalten der Messmodi weiter beigehalten wird. D.h., wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas häufig um den ersten Konzentrationsschwellenwert C1 oder den zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 schwankt, kann das Umschalten der Messmodi so eingestellt werden, dass es nicht zu häufig stattfindet. Beim Umschalten des Messmodus wird die Steuerung der Strom-Messpumpzelle 41 geändert und dadurch kann vorübergehend eine Situation auftreten, bei welcher der Gassensor 100 die NOx-Konzentration nicht messen kann. Durch Bereitstellen des Pufferbereichs zwischen dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 und dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 kann das Umschalten der Messmodi so eingestellt werden, dass es nicht zu häufig stattfindet. Demgemäß kann der Gassensor 100 die NOx-Konzentration kontinuierlicher und genauer messen.
Beispielsweise kann der erste Konzentrationsschwellenwert C1 50 ppm bis 200 ppm betragen und der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann 200 ppm bis 500 ppm betragen. Beispielsweise kann der erste Konzentrationsschwellenwert C1 100 ppm betragen und der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 kann 300 ppm betragen.
Der Messmodus kann in dem Pufferbereich zwischen dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 und dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 umgeschaltet werden. Der Messmodus kann beispielsweise durch Prognostizieren des erfassten Werts der NOx-Konzentration auf der Basis einer Zeitvariation des erfassten Werts der NOx-Konzentration (Steigung des Graphen in der 5) umgeschaltet werden. Der Messmodus kann beispielsweise auf der Basis der Zeit, für die der erfasste Wert der NOx-Konzentration innerhalb des Pufferbereichs liegt, umgeschaltet werden.
[Erfassung der Konzentration eines zu messenden Zielgases]
Als nächstes wird ein Verfahren zum Messen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Gassensors 100 beschrieben.
Ein Steuerverfahren des Gassensors der vorliegenden Ausführungsform umfasst:

einen Konzentration-Erfassungsschritt des Durchführens eines elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem die Einstellpumpzelle betrieben wird und die Strom-Messpumpzelle nicht zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle betrieben wird, oder eines Strommessmodus,
in dem die Einstellpumpzelle und die Strom-Messpumpzelle zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts in der Strom-Messpumpzelle betrieben werden, während zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus unter Verwendung der Umschalteinheit umgeschaltet wird. In dem Konzentration-Erfassungsschritt wird jedweder der Messmodi stets ausgeführt, um die Konzentration kontinuierlich zu erfassen. Es sollte beachtet werden, dass in dieser Ausführungsform die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 als die Einstellpumpzellen wirken.

Der Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration in dem Gassensor 100 dieser Ausführungsform wird nachstehend detailliert beschrieben. Die 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für einen Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration in dem Gassensor 100 zeigt.
Mit dem Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration wird begonnen, wenn beispielsweise der Gassensor 100 ein Startsignal (Taupunkt) erhält. Wenn der Gassensor 100 in einem Kraftfahrzeug oder dergleichen eingebaut ist, ist das Startsignal (Taupunkt) beispielsweise ein Signal, das von einer ECU, einem Abgasbehandlungssystem oder dergleichen des Kraftfahrzeugs zu dem Gassensor 100 gesendet wird. Mit dem Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration kann beispielsweise durch manuelles Einschalten der Stromversorgung der Steuereinheit 90 begonnen werden.
Wenn mit dem Erfassungsvorgang der NOx-Konzentration begonnen wird, beginnt der Betriebssteuerteil 92 des Steuerteils 91 mit dem Erwärmen der Heizeinrichtung 72 durch das Zuführen von Strom zu der Heizeinrichtung 72 (Schritt S10) und das Sensorelement 101 wird bei einer Betriebstemperatur (z.B. etwa 800 °C) gehalten, bei der die Konzentration von NOx aufgrund der Aktivierung des Festelektrolyten mit einer hohen Genauigkeit gemessen wird.
Als nächstes beginnt der Betriebssteuerteil 92 mit der Steuerung der Hauptpumpzelle 21 (Schritt S11) und beginnt auch mit der Steuerung der Hilfspumpzelle 50 (Schritt S12). Insbesondere wird die Regelung auf der Basis des Vorgabewerts Ip1_SET und des Vorgabewerts V0_SET für die Hauptpumpzelle 21 durchgeführt und die Regelung auf der Basis des Vorgabewerts V1_SET wird für die Hilfspumpzelle 50 durchgeführt. Einer der Schritte S11 und S12 kann zuerst durchgeführt werden oder die Schritte S11 und S12 können gleichzeitig durchgeführt werden. Die Schritte S 11 und S12 können durchgeführt werden, nachdem das Sensorelement 101 die Betriebstemperatur erreicht hat, oder sie können bei einer Temperatur durchgeführt werden, die niedriger ist als die Betriebstemperatur.
Das Messgegenstandsgas tritt in dieser Reihenfolge durch den Gaseinlass 10, den ersten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 13 hindurch und erreicht den ersten inneren Hohlraum 20, so dass die Sauerstoffkonzentration durch die Wirkung der Hauptpumpzelle 21 eingestellt wird. Dann tritt das Messgegenstandsgas durch den dritten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 30 hindurch und erreicht den zweiten inneren Hohlraum 40, so dass die Sauerstoffkonzentration durch die Wirkung der Hilfspumpzelle 50 weiter eingestellt wird. Das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 eingestellt worden ist, tritt durch den vierten Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil 60 hindurch und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61.
Als nächstes führt der Messmodus-Umschaltteil 94 des Steuerteils 91 ein Umschalten zu dem Strommessmodus durch (Schritt S13). Insbesondere gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Steuersignal zu der Umschalteinheit 47 als ein Beispiel dafür, dass die Umschalteinheit EIN ist, aus. Ferner gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 Anweisungen an den Betriebssteuerteil 92 zur Durchführung der Steuerung in dem Strommessmodus aus. In diesem Fall führt der Betriebssteuerteil 92 die Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in dem Strom-Messpumpzelle 41 durch und erfasst den Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41. Der Messmodus-Umschaltteil 94 gibt Anweisungen an den Konzentrationsberechnungsteil 93 zum Erfassen des Pumpstroms Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 aus und berechnet die NOx-Konzentration auf der Basis des Strom-Konzentration-Umwandlungsparameters. In dem Strommessmodus fließt, wie es vorstehend beschrieben worden ist, der Pumpstrom Ip2, welcher der NOx-Konzentration entspricht, durch die Strom-Messpumpzelle 41. Der Schritt S13 kann gleichzeitig mit einem oder beiden der vorstehend beschriebenen Schritte S11 und S12 durchgeführt werden.
Dann erfasst der Konzentrationsberechnungsteil 93 den Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des im Vorhinein gespeicherten Umwandlungsparameters (Strom-Konzentration-Umwandlungsparameter) zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas (Schritt S14). Die berechnete NOx-Konzentration wird als der erfasste Wert des Gassensors 100 ausgegeben. Nach dem Schritt S14 erfasst der Messmodus-Umschaltteil 94 die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 berechnet worden ist, und bestimmt, ob die erfasste NOx-Konzentration niedriger als der erste Konzentrationsschwellenwert C1 ist oder nicht (Schritt S15). Als der erste Konzentrationsschwellenwert C1 wird beispielsweise die Untergrenze der NOx-Konzentration, bei der die gewünschte Messgenauigkeit bei der Messung in dem Strommessmodus erhalten werden kann, im Vorhinein eingestellt.
In dem Schritt S15 werden, wenn die von dem Konzentrationsberechnungsteil 93 erfasste NOx-Konzentration mit dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 identisch oder höher als dieser ist, der Schritt S14 und nachfolgende Vorgänge durchgeführt. D.h., wenn die NOx-Konzentration mit dem ersten Konzentrationsschwellenwert C1 identisch oder höher als dieser ist, schaltet der Messmodus-Umschaltteil 94 den Messmodus nicht um und der Betriebssteuerteil 92 und der Konzentrationsberechnungsteil 93 setzen den Strommessmodus fort.
In dem Schritt S15 führt, wenn die von dem Konzentrationsberechnungsteil 93 erfasste NOx-Konzentration niedriger ist als der erste Konzentrationsschwellenwert C1, der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Umschalten zu dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus durch (Schritt S23). Insbesondere gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Steuersignal zu der Umschalteinheit 47 aus, so dass sie AUS ist. Ferner gibt der Messmodus-Umschaltteil 94 Anweisungen an den Betriebssteuerteil 92 zur Durchführung der Steuerung in dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus aus. In diesem Fall führt der Betriebssteuerteil 92 die vorstehend beschriebene Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 nicht aus und erfasst die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82. Der Messmodus-Umschaltteil 94 gibt Anweisungen an den Konzentrationsberechnungsteil 93 zum Erfassen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 aus und berechnet die NOx-Konzentration auf der Basis des offene elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameters. In dem elektromotorische Kraft-Messmodus fließt der Pumpstrom Ip2 nicht durch die Strom-Messpumpzelle 41 und wie es vorstehend beschrieben worden ist, wird die offene elektromotorische Kraft V2offen, die der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas entspricht, in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erzeugt.
Dann erfasst der Konzentrationsberechnungsteil 93 die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des im Vorhinein gespeicherten Umwandlungsparameters (offene elektromotorische Kraft-Konzentration-Umwandlungsparameter) zwischen der offenen elektromotorischen Kraft V2offen und der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas (Schritt S24). Die berechnete NOx-Konzentration wird als der erfasste Wert des Gassensors 100 ausgegeben. Nach dem Schritt S24 erfasst der Messmodus-Umschaltteil 94 die NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 berechnet worden ist, und bestimmt, ob die erfasste NOx-Konzentration höher ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 oder nicht (Schritt S25). Als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2 wird beispielsweise die Obergrenze der NOx-Konzentration, bei der die gewünschte Messgenauigkeit erhalten werden kann, bei der Messung in dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus im Vorhinein eingestellt.
In dem Schritt S25 werden, wenn die NOx-Konzentration, die von dem Konzentrationsberechnungsteil 93 erfasst worden ist, mit dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 identisch oder niedriger als dieser ist, der Schritt S24 und nachfolgende Vorgänge durchgeführt. D.h., wenn die NOx-Konzentration mit dem zweiten Konzentrationsschwellenwert C2 identisch oder niedriger als dieser ist, schaltet der Messmodus-Umschaltteil 94 den Messmodus nicht um, und der Betriebssteuerteil 92 und der Konzentrationsberechnungsteil 93 setzen den offene elektromotorische Kraft-Messmodus fort.
In dem Schritt S25 führt dann, wenn die NOx-Konzentration, die von dem Konzentrationsberechnungsteil 93 erfasst worden ist, höher ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2, der Messmodus-Umschaltteil 94 ein Umschalten zu dem Strommessmodus durch (Schritt S13), und der Schritt S14 und nachfolgende Vorgänge werden durchgeführt.
Demgemäß bestimmt der Steuerteil 91 in dem Messmodus-Umschaltteil 94 auf der Basis der NOx-Konzentration, die von dem Konzentrationsberechnungsteil 93 erfasst worden ist, ob der Strommessmodus oder der elektromotorische Kraft-Messmodus verwendet werden soll, und erfasst als Ergebnis die NOx-Konzentration unter Verwendung eines der Messmodi. Die NOx-Konzentration kann durch geeignetes Verwenden des elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem das Messgegenstandsgas, das die niedrige Konzentration von NOx enthält, genauer gemessen werden kann, und des Strommessmodus, in dem das Messgegenstandsgas, das die hohe Konzentration von NOx enthält, genauer gemessen werden kann, in einem Konzentrationsbereich, der die niedrige Konzentration umfasst, genauer gemessen werden.
In dem Schritt S13 wird, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 von dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus umschaltet, der Pumpstrom Ip2 in die Strom-Messpumpzelle 41 zugeführt, so dass die elektromotorische Kraft V2, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, bei dem Vorgabewert V2_SET liegt, wodurch die Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 in einem Zustand eingestellt wird, bei dem der gesamte Sauerstoff, der von NOx stammt, hinausgepumpt wird. In diesem Zustand wird die Messung der NOx-Konzentration in dem Strommessmodus (Schritt S14) mindestens einmal durchgeführt und dann wird das Umschalten zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus (Schritt S23) durchgeführt. Ferner wird in dem Schritt S23, wenn der Messmodus-Umschaltteil 94 von dem Strommessmodus zu dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus umschaltet, der Pumpstrom Ip2 nicht an die Strom-Messpumpzelle 41 angelegt, wodurch die Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 in einem Zustand eingestellt wird, bei dem der gesamte Sauerstoff, der von NOx stammt, vorliegt. In diesem Zustand wird die Messung der NOx-Konzentration in dem elektromotorische Kraft-Messmodus (Schritt S24) mindestens einmal durchgeführt und dann wird das Umschalten zu dem Strommessmodus (Schritt S13) durchgeführt.
Dabei wird, wenn das Umschalten des Messmodus durchgeführt wird, die Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 so eingestellt, dass die NOx-Konzentration gemessen werden kann, und dann wird die Bestimmung für das nächste Umschalten des Messmodus durchgeführt. Das Umschalten des Messmodus kann üblicherweise in Intervallen von einer Sekunde oder länger durchgeführt werden. Das Umschalten des Messmodus soll kein Umschalten durch Ein- und Ausschalten in einer so kurzen Zeit sein, in der das vorstehend beschriebene Umschalten der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 nicht realisiert werden kann, d.h., die Ein- und Aus-Steuerung durch einen sogenannten Pulsstrom.
Sofort nachdem der Messmodus-Umschaltteil 94 in dem Schritt S13 von dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus umgeschaltet hat, wird die Steuerung der Strom-Messpumpzelle 41 so geändert, dass der Pumpstrom Ip2 in manchen Fällen gegebenenfalls nicht stabil ist. Folglich kann der Konzentrationsberechnungsteil 93 den Schritt S14 durchführen, nachdem eine vorgegebene Wartezeit vergangen ist. Ferner wird, sofort nachdem der Messmodus-Umschaltteil 94 in dem Schritt S23 von dem Strommessmodus zu dem offene elektromotorische Kraft-Messmodus umgeschaltet hat, die Steuerung der Strom-Messpumpzelle 41 so geändert, dass die offene elektromotorische Kraft V2offen in manchen Fällen gegebenenfalls nicht stabil ist. Folglich kann der Konzentrationsberechnungsteil 93 den Schritt S24 durchführen, nachdem eine vorgegebene Wartezeit vergangen ist.
Der Gassensor 100 zum Erfassen einer NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas wurde vorstehend als Beispiel der Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung beschrieben, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die vorliegende Erfindung kann einen Gassensor umfassen, der jedwede Struktur aufweist, die ein Sensorelement und eine Steuereinheit umfasst, solange die Aufgabe der vorliegenden Erfindung gelöst werden kann, d.h., die genaue Messung des zu messenden Zielgases in einem breiten Konzentrationsbereich, einschließlich eine niedrige Konzentration des zu messenden Zielgases.
In der vorstehenden Ausführungsform ist ein Schalter als ein Beispiel für die Umschalteinheit 47 bereitgestellt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die variable Stromversorgung 46 als die Umschalteinheit 47 verwendet werden. Der Messmodus-Umschaltteil 94 kann die Pumpspannung Vp2 in der variablen Stromversorgung 46 auf Null einstellen, so dass keine Spannung in der Strom-Messpumpzelle 41 angelegt wird, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle 41 kein Strom fließt, und kann die Pumpspannung Vp2 in der variablen Stromversorgung 46 auf einen vorgegebenen Wert einstellen, so dass die vorgegebene Spannung in der Strom-Messpumpzelle 41 angelegt wird, wodurch in dem Fall eines Umschalten zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle 41 ein Strom fließt. Es sollte beachtet werden, dass in dem Strommessmodus die Regelung der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 in der Strom-Messpumpzelle 41 so durchgeführt werden kann, dass die elektromotorische Kraft V2 als die Steuerspannung, die in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst wird, bei dem Vorgabewert V2_SET liegt, wie dies in der vorstehenden Ausführungsform der Fall ist.
In der vorstehenden Ausführungsform schaltet der Messmodus-Umschaltteil 94 in dem Schritt S13 nach dem Schritt S12 zuerst zu dem Strommessmodus um, jedoch kann der Messmodus-Umschaltteil 94 in dem Schritt S23 nach dem Schritt S12 zuerst zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus umschalten.
Alternativ kann bei einer Inbetriebnahme des Gassensors 100 die Steuereinheit 90 in dem Strommessmodus voreingestellt sein oder kann in dem elektromotorische Kraft-Messmodus voreingestellt sein.
Bei der Inbetriebnahme des Gassensors 100 ist das Innere des dritten inneren Hohlraums 61 mit dem Messgegenstandsgas gefüllt und die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas im Inneren des dritten inneren Hohlraums 61 ist häufig höher als diejenige in dem Zustand, bei dem die Betriebssteuerung stetig durchgeführt wird. Wenn bei der Inbetriebnahme ein Steuern in dem Strommessmodus durchgeführt wird, wird die Strom-Messpumpzelle 41 zusätzlich zu der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 betrieben. Als Ergebnis wird der Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas im Inneren des dritten inneren Hohlraums 61 aktiv hinausgepumpt und der Zustand, bei dem die Betriebssteuerung stetig durchgeführt wird, kann schneller erhalten werden. D.h., die Zeit ab der Inbetriebnahme des Gassensors 100 bis zu dem Zeitpunkt, wenn die NOx-Konzentration gemessen werden kann (Anspringzeit), kann verkürzt werden.
In der vorstehenden Ausführungsform schaltet der Messmodus-Umschaltteil 94 auf der Basis der NOx-Konzentration, die durch den Konzentrationsberechnungsteil 93 berechnet wird, zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus um. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt.
Als Schwellenwert zum Umschalten von dem Strommessmodus zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus kann anstelle des ersten Konzentrationsschwellenwerts C1 eine Untergrenze des Pumpstroms Ip2, bei der eine gewünschte Messgenauigkeit beim Messen in dem Strommessmodus erhalten werden kann, von einem Fachmann in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Als Schwellenwert zum Umschalten von dem elektromotorische Kraft-Messmodus zu dem Strommessmodus kann anstelle des zweiten Konzentrationsschwellenwerts C2 eine Obergrenze der offenen elektromotorischen Kraft V2offen des Pumpstroms Ip2, bei der eine gewünschte Messgenauigkeit beim Messen in dem elektromotorische Kraft-Messmodus erhalten werden kann, von einem Fachmann in einer geeigneten Weise eingestellt werden.
Das Umschalten zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus kann beispielsweise auf der Basis eines Signals durchgeführt werden, das von anderen Vorrichtungen, wie z.B. der ECU und dem Abgasbehandlungssystem des Kraftfahrzeugs, gesendet wird.
In dem Gassensor 100 der vorstehenden Ausführungsform sind die Strom-Messpumpzelle 41 und die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 als separate elektrochemische Zellen ausgebildet. Die vorliegende Erfindung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann eine Strom-Messpumpzelle als Pumpzelle zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet sein. D.h., die Referenzelektrode 42 kann als eine äußere Messelektrode in der Strom-Messpumpzelle wirken. Unter Bezugnahme auf das Sensorelement 101 von 1 kann eine Strom-Messpumpzelle aus der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 zusammengesetzt sein. Die Referenzelektrode 42 ist innerhalb des Basisteils 102 angeordnet. Auf der Basis dessen, dass die Messelektrode 44 auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15 angeordnet ist, ist die Referenzelektrode 42 an einer Position angeordnet, die von der Position des Messgegenstandsgas-Strömungsteils 15 verschieden ist, und kann als die äußere Messelektrode verwendet werden. In diesem Fall ist die Steuereinheit ebenfalls mit einer Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht, versehen.
In diesem Fall wird in dem elektromotorische Kraft-Messmodus die Umschalteinheit so umgeschaltet, dass kein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt, und die offene elektromotorische Kraft V2offen zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 wird erfasst. Dann wird die NOx-Konzentration auf der Basis der offenen elektromotorischen Kraft V2offen erfasst. In dem Strommessmodus wird die Umschalteinheit so umgeschaltet, dass ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt, und ein Pumpstrom fließt zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 durch Anlegen einer bestimmten Pumpspannung zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42. Die NOx-Konzentration wird auf der Basis des Pumpstroms erfasst.
In der vorstehenden Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas. Das zu messende Zielgas ist jedoch nicht auf NOx beschränkt. Beispielsweise kann das zu messende Zielgas ein Oxidgas sein, das von NOx verschieden ist (z.B. Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O). Wenn das zu messende Zielgas ein Oxidgas ist, wird in dem Strommessmodus, wie dies in der vorstehenden Ausführungsform der Fall ist, in der die NOx-Konzentration erfasst wird, ein Messgegenstandsgas, das ein Oxidgas als solches enthält, in den dritten inneren Hohlraum 61 eingeführt, und das Oxidgas in dem Messgegenstandsgas wird an der Messelektrode 44 reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff wird als Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 erfasst.
Kohlendioxid CO₂ und Wasser H₂O werden reduziert, so dass ein reduzierendes Gas, wie z.B. Kohlenmonoxid CO bzw. Wasserstoff H₂, und Sauerstoff O₂ erzeugt werden. In dem elektromotorische Kraft-Messmodus wird durch Einstellen des Vorgabewerts V0_SET, der zum Steuern der Hauptpumpzelle 21 verwendet wird, und des Vorgabewerts V1_SET, der zum Steuern der Hilfspumpzelle 50 verwendet wird, auf größere Werte als diejenigen in dem Fall von NOx die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf eine niedrigere Konzentration eingestellt, und Kohlendioxid CO₂ oder Wasser H₂O wird in mindestens einer der inneren Hauptpumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51 reduziert (zersetzt). Als Ergebnis erreichen das reduzierende Gas, das durch die Reduktion von Kohlendioxid CO₂ oder Wasser H₂O erzeugt worden ist, und der Sauerstoff (restlicher Sauerstoff), dessen Konzentration durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 eingestellt worden ist, die Messelektrode 44. Dadurch kann durch Einstellen der Konzentration des restlichen Sauerstoffs in dem Messgegenstandsgas, so dass ein Verhältnis des restlichen Sauerstoffs zu dem reduzierenden Gas (fetten Gas) in der Nähe des Punkts des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (stöchiometrisch) liegt, eine Konzentration des reduzierenden Gases (fetten Gases), das von Kohlendioxid CO₂ oder Wasser H₂O abgeleitet ist, als die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 erfasst werden. In dem Bereich in der Nähe des Punkts des theoretischen Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (stöchiometrisch) ändert sich verglichen mit anderen Bereichen die offene elektromotorische Kraft V2offen in Bezug auf eine kleine Änderung der Konzentration des fetten Gases stärker, so dass eine niedrige Konzentration des reduzierenden Gases (fetten Gases), das von Kohlendioxid CO₂ oder Wasser H₂O abgeleitet ist, erfasst werden kann.
In der vorstehenden Ausführungsform zum Erfassen der NOx-Konzentration kann beispielsweise der Vorgabewert V0_SET, der zum Steuern der Hauptpumpzelle 21 verwendet wird, auf etwa 150 mV bis 450 mV eingestellt werden, und der Vorgabewert V1_SET, der zum Steuern der Hilfspumpzelle 50 verwendet wird, kann auf etwa 150 mV bis 450 mV eingestellt werden. Andererseits kann in dem Fall der Messung von Kohlendioxid CO₂ oder Wasser H₂O der Vorgabewert V0_SET, der zum Steuern der Hauptpumpzelle 21 verwendet wird, beispielsweise auf etwa 450 mV bis 1000 mV eingestellt werden, und der Vorgabewert V1_SET, der zum Steuern der Hilfspumpzelle 50 verwendet wird, kann auf etwa 450 mV bis 1000 mV eingestellt werden. Demgemäß können der Vorgabewert V0_SET, der zum Steuern der Hauptpumpzelle 21 verwendet wird, und der Vorgabewert V1_SET, der zum Steuern der Hilfspumpzelle 50 verwendet wird, abhängig von der Art des zu messenden Zielgases in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Ferner können der Vorgabewert Ip1_SET, der zum Steuern der Hilfspumpzelle 50 verwendet wird, und der Vorgabewert V2_SET, der zum Steuern der Strom-Messpumpzelle 41 im Strommessmodus verwendet wird, abhängig von der Art des zu messenden Zielgases in einer geeigneten Weise eingestellt werden.
Alternativ kann das zu messende Zielgas ein Nicht-Oxidgas, wie z.B. Ammoniak NH₃, sein. Wenn das zu messende Zielgas ein Nicht-Oxidgas ist, wird das Nicht-Oxidgas in ein Oxidgas umgewandelt (beispielsweise wird in dem Fall von Ammoniak NH₃ das NH₃ in NO umgewandelt), und ein Messgegenstandsgas, welches das umgewandelte Oxidgas enthält, wird in den dritten inneren Hohlraum 61 eingeführt. An der Messelektrode 44 wird das umgewandelte Oxidgas in dem Messgegenstandsgas reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff wird als die offene elektromotorische Kraft V2offen in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle 82 in dem elektromotorische Kraft-Messmodus erfasst und wird als der Pumpstrom Ip2 in der Strom-Messpumpzelle 41 in dem Strommessmodus erfasst. Die Umwandlung des Nicht-Oxidgases in das Oxidgas kann dadurch durchgeführt werden, dass ermöglicht wird, dass mindestens eine der inneren Hauptpumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51 als Katalysator wirken kann.
In der vorstehenden Ausführungsform führt der Betriebssteuerteil 92 des Steuerteils 91 eine Regelung zur Einstellung eines Vorgabewerts V0_SET der elektromotorischen Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 in der Hilfspumpzelle 50 durch, so dass der Pumpstrom Ip1 einen Vorgabewert Ip1_SET erreicht, und führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 in der Hauptpumpzelle 21 derart durch, dass die elektromotorische Kraft V0 den Vorgabewert V0_SET erreicht. Das Steuerverfahren ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der Betriebssteuerteil 92 eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 in der Hauptpumpzelle 21 derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip1 in der Hilfspumpzelle 50 einen Vorgabewert Ip1_SET erreicht. D.h., der Betriebssteuerteil 92 kann eine direkte Regelung der Pumpspannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 durchführen, ohne die elektromotorische Kraft V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 zu erfassen oder den Vorgabewert V0_SET einzustellen.
In dem Gassensor 100 der vorstehenden Ausführungsform, wie er in der 1 gezeigt ist, weist das Sensorelement 101 eine Struktur auf, in der drei innere Hohlräume, nämlich der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61, bereitgestellt sind und die innere Hauptpumpelektrode 22, die Hilfspumpelektrode 51 und die Messelektrode 44 jeweils in diesen inneren Hohlräumen angeordnet sind. Die Struktur des Sensorelements 101 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 eine Struktur aufweisen, in der zwei innere Hohlräume, nämlich der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40, bereitgestellt sind, die innere Hauptpumpelektrode 22 in dem ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist und die Hilfspumpelektrode 51 und die Messelektrode 44 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet sind. In diesem Fall kann beispielsweise eine poröse Schutzschicht, welche die Messelektrode 44 bedeckt, als Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Messelektrode 44 ausgebildet sein.
In dem Gassensor 100 der vorstehenden Ausführungsform weist die äußere Pumpelektrode 23 drei Funktionen als eine äußere Hauptpumpelektrode in der Hauptpumpzelle 21, eine äußere Hilfspumpelektrode in der Hilfspumpzelle 50 und eine äußere Messelektrode in der Strom-Messpumpzelle 41 auf. Die äußere Pumpelektrode 23 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können die äußere Hauptpumpelektrode, die äußere Hilfspumpelektrode und die äußere Messelektrode als verschiedene Elektroden ausgebildet sein. Beispielsweise kann bzw. können eine oder mehr der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode auf der äußeren Oberfläche des Basisteils 102 derart getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 bereitgestellt sein, dass sie mit einem Messgegenstandsgas in Kontakt ist bzw. sind. Alternativ kann auch die Referenzelektrode 42 als eine oder mehr der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode dienen.
Wie es vorstehend beschrieben worden ist, kann gemäß der vorliegenden Erfindung eine Messung durchgeführt werden, während zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem die Messgenauigkeit bei einer niedrigen Konzentration höher ist, und dem Strommessmodus, bei dem die Messgenauigkeit bei einer hohen Konzentration höher ist, umgeschaltet wird, so dass das zu messende Zielgas in einem breiten Konzentrationsbereich (beispielsweise 10 bis 5000 ppm), einschließlich die niedrige Konzentration des zu messenden Zielgases, genau gemessen werden kann. In der vorliegenden Erfindung soll eine Obergrenze der niedrigen Konzentration weniger als 500 ppm betragen. Das zu messende Zielgas umfasst Stickstoffatom-enthaltende Gase, wie z.B. Stickstoffoxid NOx und Ammoniak NH₃, sowie Kohlendioxid CO₂, Wasser H₂O und dergleichen, die durch eine Zersetzung ein reduzierendes Gas erzeugen.
Bezugszeichenliste

1: ErsteSubstratschicht;
2: Zweite Substratschicht;
3: Dritte Substratschicht;
4: Erste Festelektrolytschicht;
5: Abstandshalterschicht;
6: Zweite Festelektrolytschicht;
10: Gaseinlass;
11: Erster Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil;
12: Pufferraum;
13: Zweiter Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil;
15: Messgegenstandsgas-Strömungsteil;
20: Erster innerer Hohlraum;
21: Hauptpumpzelle;
22: Innere Hauptpumpelektrode;
22a: Oberer Elektrodenabschnitt (der inneren Hauptpumpelektrode);
22b: Unterer Elektrodenabschnitt (der inneren Hauptpumpelektrode);
23: Äußere Pumpelektrode;
24: Variable Stromversorgung (der Hauptpumpzelle);
30: Dritter Diffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil;
40: Zweiter innerer Hohlraum;
41: Strom-Messpumpzelle;
42: Referenzelektrode;
43: Referenzgas-Einführungsraum;
44: Messelektrode;
46: Variable Stromversorgung (der Strom-Messpumpzelle);
47: Umschalteinheit;
48: Lufteinführungsschicht;
50: Hilfspumpzelle;
51: Hilfspumpelektrode;
51a: Oberer Elektrodenabschnitt (der Hilfspumpelektrode);
51b: Unterer Elektrodenabschnitt (der Hilfspumpelektrode);
52: Variable Stromversorgung (der Hilfspumpzelle);
60: VierterDiffusionsgeschwindigkeit-Beschränkungsteil;
61: Dritter innerer Hohlraum;
70: Heizeinrichtungsteil;
71: Heizeinrichtungselektrode;
72: Heizeinrichtung;
73: Durchgangsloch;
74: Heizeinrichtung-Isolierschicht;
75: Druckentlastungseinrichtung;
76: Heizeinrichtung-Anschlussleiter;
77: Heizeinrichtung-Stromversorgung;
80: Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung;
81: Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung;
82: Elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle;
83: Sensorzelle;
90: Steuereinheit;
91: Steuerteil;
92: Betriebssteuerteil;
93: Konzentrationsberechnungsteil;
94: Messmodus-Umschaltteil;
100: Gassensor;
101: Sensorelement;
und 102: Basisteil.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 5323752 B2 [0003, 0004, 0005, 0007]
JP 2021162580 A [0005]
JP 2021162581 A [0005]

Claims

Gassensor zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in einem Messgegenstandsgas, wobei der Gassensor ein Sensorelement und eine Steuereinheit zum Steuern des Sensorelements umfasst, wobei das Sensorelement umfasst: einen Basisteil in einer länglichen Plattenform, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst; einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil, der von einem Endteil in einer Längsrichtung des Basisteils ausgebildet ist; eine Einstellpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle umfasst: eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils angeordnet ist; und eine äußere Pumpelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht; eine Strom-Messpumpzelle zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle umfasst: eine innere Messelektrode, die an einer Position weiter entfernt von dem einen Endteil in der Längsrichtung des Basisteils angeordnet ist als die innere Pumpelektrode auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils; und eine äußere Messelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht; eine Referenzelektrode, die so innerhalb des Basisteils angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die innere Messelektrode und die Referenzelektrode umfasst, und die Steuereinheit umfasst: eine Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht.
Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit umfasst: einen Messmodus-Umschaltteil zum Umschalten zwischen einem elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle erfasst wird, und einem Strommessmodus, in dem eine Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts in der Strom-Messpumpzelle erfasst wird, und der Messmodus-Umschaltteil die Umschalteinheit so umschaltet, dass in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und die Umschalteinheit so umschaltet, dass in dem Fall eines Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umschalteinheit einen Schalter zum Umschalten, ob ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle unterbrochen wird oder nicht, umfasst.
Gassensor nach Anspruch 3, wobei der Messmodus-Umschaltteil den Schalter ausschaltet, so dass ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle unterbrochen wird, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und den Schalter einschaltet, so dass ein Leiten in der Strom-Messpumpzelle stattfindet, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Umschalteinheit eine variable Stromversorgung zum Ändern einer Spannung, die an die Strom-Messpumpzelle angelegt wird, umfasst.
Gassensor nach Anspruch 5, wobei der Messmodus-Umschaltteil eine Spannung in der variablen Stromversorgung auf Null einstellt, so dass in der Strom-Messpumpzelle keine Spannung angelegt wird, wodurch in dem Fall eines Umschaltens zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus durch die Strom-Messpumpzelle kein Strom fließt, und eine Spannung in der variablen Stromversorgung auf einen vorgegebenen Wert einstellt, so dass in der Strom-Messpumpzelle die vorgegebene Spannung angelegt wird, wodurch in dem Fall des Umschaltens zu dem Strommessmodus durch die Strom-Messpumpzelle ein Strom fließt.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 6, wobei der Messmodus-Umschaltteil zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus umschaltet, wenn der Messmodus-Umschaltteil bestimmt, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem Strommessmodus erfasst wird, niedriger ist als ein vorgegebener erster Konzentrationsschwellenwert C1, und der Messmodus-Umschaltteil zu dem Strommessmodus umschaltet, wenn der Messmodus-Umschaltteil bestimmt, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem elektromotorische Kraft-Messmodus erfasst wird, höher ist als ein vorgegebener zweiter Konzentrationsschwellenwert C2.
Gassensor nach Anspruch 7, wobei der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2.
Gassensor nach einem der Ansprüche 2 bis 8, wobei in dem Strommessmodus ein Stromwert in der Strom-Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Wert einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle ein vorgegebener Wert ist.
Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Referenzelektrode als die äußere Messelektrode wirkt.
Steuerverfahren eines Gassensors zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in einem Messgegenstandsgas, wobei der Gassensor ein Sensorelement und eine Steuereinheit zum Steuern des Sensorelements umfasst, wobei das Sensorelement umfasst: einen Basisteil in einer länglichen Plattenform, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst; einen Messgegenstandsgas-Strömungsteil, der von einem Endteil in einer Längsrichtung des Basisteils ausgebildet ist; eine Einstellpumpzelle zum Einstellen einer Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf eine gewünschte Konzentration, wobei die Einstellpumpzelle umfasst: eine innere Pumpelektrode, die auf einer Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils angeordnet ist; und eine äußere Pumpelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Pumpelektrode entspricht; eine Strom-Messpumpzelle zum Erfassen eines zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas als einen Stromwert, wobei die Strom-Messpumpzelle umfasst: eine innere Messelektrode, die an einer Position weiter entfernt von dem einen Endteil in der Längsrichtung des Basisteils angeordnet ist als die innere Pumpelektrode auf der Innenoberfläche des Messgegenstandsgas-Strömungsteils; und eine äußere Messelektrode, die an einer Position angeordnet ist, die von dem Messgegenstandsgas-Strömungsteil auf dem Basisteil verschieden ist und der inneren Messelektrode entspricht; eine Referenzelektrode, die so innerhalb des Basisteils angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt ist; und eine elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle zum Erfassen eines Werts einer elektromotorischen Kraft zwischen der inneren Messelektrode und der Referenzelektrode, wobei die elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle die innere Messelektrode und die Referenzelektrode umfasst, und die Steuereinheit umfasst: eine Umschalteinheit zum Umschalten, ob ein Strom durch die Strom-Messpumpzelle fließt oder nicht, und wobei das Steuerverfahren umfasst: einen Konzentration-Erfassungsschritt des Durchführens eines elektromotorische Kraft-Messmodus, in dem die Einstellpumpzelle betrieben wird und die Strom-Messpumpzelle nicht zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Werts einer elektromotorischen Kraft in der elektromotorische Kraft-Erfassungssensorzelle betrieben wird, oder eines Strommessmodus, in dem die Einstellpumpzelle und die Strom-Messpumpzelle zum Erfassen einer Konzentration des zu messenden Zielgases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Stromwerts in der Strom-Messpumpzelle betrieben werden, während zwischen dem elektromotorische Kraft-Messmodus und dem Strommessmodus unter Verwendung der Umschalteinheit umgeschaltet wird.
Steuerverfahren nach Anspruch 11, wobei in dem Konzentration-Erfassungsschritt die Umschalteinheit so umgeschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle zum Umschalten zu dem elektromotorische Kraft-Messmodus kein Strom fließt, wenn bestimmt wird, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem Strommessmodus erfasst wird, niedriger ist als ein vorgegebener erster Konzentrationsschwellenwert C1, und die Umschalteinheit so umgeschaltet wird, dass durch die Strom-Messpumpzelle zum Umschalten zu dem Strommessmodus ein Strom fließt, wenn bestimmt wird, dass eine Konzentration des zu messenden Zielgases, die in dem elektromotorische Kraft-Messmodus bestimmt wird, höher ist als ein vorgegebener zweiter Konzentrationsschwellenwert C2.
Steuerverfahren nach Anspruch 12, wobei der erste Konzentrationsschwellenwert C1 niedriger ist als der zweite Konzentrationsschwellenwert C2.