DE102023128982A1 - Gassensor - Google Patents

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pumping
impedance
cell
electrode
pump
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Yusuke Watanabe
Yohei Goro
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NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101, eine erste und eine zweite Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b und eine Steuervorrichtung. Das Sensorelement 101 weist einen Elementkörper, eine Hauptpumpzelle 21 mit einer inneren Pumpelektrode 22, eine Messpumpzelle 41 mit einer Messelektrode 44 und eine Heizeinrichtung 72 auf. Die erste Impedanzmesseinrichtung 47a legt eine Spannung an die innere Pumpelektrode 22 zum Messen einer ersten Impedanz R1 an. Die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b legt eine Spannung an die Messelektrode 44 zum Messen einer zweiten Impedanz R2 an. Die Steuervorrichtung steuert die Heizeinrichtung 72 derart, dass die erste Impedanz R1 einen Zielwert R1* erreicht. Die Steuervorrichtung korrigiert auf der Basis der zweiten Impedanz R2 einen Pumpstrom Ip2 der Messpumpzelle 41 oder einen Wert, der auf der Basis des Pumpstroms Ip2 abgeleitet ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
  • Stand der Technik
  • Ein Gassensor, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst, ist bekannt. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der ein Sensorelement umfasst, welches umfasst: Einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einführt und bewirkt, dass das Messgegenstandsgas durch diesen strömt; eine Einstellpumpzelle, welche die Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts einstellt; eine Messpumpzelle mit einer Messelektrode, die in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts von der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts angeordnet ist; und eine Referenzelektrode. Wenn die Konzentration von NOx durch den Gassensor erfasst wird, wird die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer zuerst durch die Einstellpumpzelle eingestellt und das Messgegenstandsgas mit der eingestellten Sauerstoffkonzentration erreicht die Messkammer. In der Messkammer wird das NOx in dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der Messelektrode reduziert. Dann wird der Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode durch Durchführen einer Regelung mit der Messpumpzelle derart, dass die über die Messelektrode und die Referenzelektrode erzeugte Spannung V2 einen vorgegebenen Zielwert aufweist, hinausgepumpt. Die Konzentration von NOx in dem Messgegenstandsgas wird auf der Basis des Pumpstroms Ip2 erfasst, der dann fließt.
  • Es ist bekannt, dass zum Steuern der Elementtemperatur des Gassensors durch eine Heizeinrichtung die Widerstandswerte von Zellen gemessen werden. Beispielsweise gibt PTL 2 an, dass ein Widerstandswert zwischen zwei Anschlussdrähten einer Sauerstoffkonzentration-Messzelle gemessen wird und ein Stromversorgungszustand einer Heizeinrichtungsstruktur derart gesteuert wird, dass der gemessene Widerstandswert 80 Ω beträgt, was einer Elementtemperatur von 740 °C entspricht.
  • Dokumentenliste
  • Patentdokumente
    • PTL 1: JP 2022-091669 A
    • PTL 2: JP 3340110 B
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Wenn das Sensorelement des Gassensors mindestens zwei Pumpzellen umfasst, ändert sich dann, wenn die Heizeinrichtung auf der Basis der Impedanz gesteuert wird, die für eine der Pumpzellen gemessen wird, auch die Temperatur der anderen Pumpzelle und die Impedanz ändert sich. Aus diesem Grund kann die Impedanz von jeder der zwei Pumpzellen bei einem Zielwert gegebenenfalls nicht steuerbar sein. Folglich kann aufgrund einer Änderung der Impedanz der anderen Pumpzelle die Genauigkeit des Vorgangs, der auf der Basis der anderen Pumpzelle durchgeführt wird, beispielsweise die Genauigkeit der Steuerung des Gassensors oder die Genauigkeit der Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, vermindert werden. In dem Gassensor von PTL 2 werden, wenn die Heizeinrichtung auf der Basis des Widerstandswerts der Sauerstoffkonzentrationsmesszelle gesteuert wird, die Temperatur der anderen Zelle und die Änderung der Impedanz nicht berücksichtigt.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und es ist eine Hauptaufgabe, sowohl einen Vorgang des Verwendens der ersten Pumpzelle als auch einen Vorgang des Verwendens der zweiten Pumpzelle mit hoher Genauigkeit durchzuführen.
  • Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung nutzt die folgende Vorrichtung zum Lösen der vorstehend beschriebenen Hauptaufgabe.
  • [1] Der Gassensor der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor, der eine Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, die eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas ist, wobei der Gassensor umfasst:
    • einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt;
    • eine erste Pumpzelle, die eine erste innere Elektrode umfasst, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die erste Pumpzelle zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist;
    • eine zweite Pumpzelle, die eine zweite innere Elektrode umfasst, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite Pumpzelle zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist;
    • eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Elementkörpers ausgebildet ist;
    • eine erste Impedanzmesseinrichtung, die zum Messen einer ersten Impedanz durch Anlegen einer Spannung an die erste innere Elektrode ausgebildet ist;
    • eine zweite Impedanzmesseinrichtung, die zum Messen einer zweiten Impedanz durch Anlegen einer Spannung an die zweite innere Elektrode ausgebildet ist; und
    • eine Steuervorrichtung, die zum Durchführen eines Heizeinrichtungssteuerungsvorgangs des Steuerns der Heizeinrichtung derart, dass die erste Impedanz einen Zielwert erreicht, und eines Korrekturvorgangs des Korrigierens, auf der Basis der zweiten Impedanz, eines zweiten Pumpstroms, der durch die zweite Pumpzelle fließt, oder eines Werts, der auf der Basis des zweiten Pumpstroms abgeleitet ist, ausgebildet ist.
  • Bei diesem Gassensor wird eine erste Impedanz für die erste Pumpzelle gemessen und die Heizeinrichtung wird so gesteuert, dass die erste Impedanz einen Zielwert erreicht, wodurch die erste Impedanz in der Nähe des Zielwerts für die erste Pumpzelle gehalten werden kann. Daher kann jedweder Vorgang unter Verwendung der ersten Pumpzelle mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Ferner erreicht, selbst wenn ein solcher Heizeinrichtungssteuerungsvorgang durchgeführt wird, die zweite Impedanz der zweiten Pumpzelle nicht notwendigerweise einen gewünschten Wert. Bei diesem Gassensor wird jedoch eine zweite Impedanz für die zweite Pumpzelle gemessen und ein Korrekturvorgang auf der Basis der zweiten Impedanz wird durchgeführt. Aus diesem Grund kann ein Vorgang unter Verwendung der zweiten Pumpzelle, insbesondere ein Vorgang auf der Basis des zweiten Pumpstroms, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Auf der Basis des Vorstehenden kann bei dem Gassensor sowohl ein Vorgang unter Verwendung der ersten Pumpzelle als auch ein Vorgang unter Verwendung der zweiten Pumpzelle mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Dabei umfasst „ein Pumpen von Sauerstoff wird durchgeführt“ einen Fall, bei dem Sauerstoff aus dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt hinausgepumpt wird, und einen Fall, bei dem Sauerstoff in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt hineingepumpt wird. Es ist ausreichend, dass jede der ersten Pumpzelle und der zweiten Pumpzelle eine Zelle ist, die mindestens ein solches Hineinpumpen von Sauerstoff oder Hinauspumpen von Sauerstoff durchführt.
  • In diesem Fall kann die erste Pumpzelle durch Einbeziehen der ersten inneren Elektrode, einer ersten äußeren Elektrode, die in einem Bereich angeordnet ist, der dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist, und eines Festelektrolyten, der als Strompfad zwischen der ersten inneren Elektrode und der ersten äußeren Elektrode des Elementkörpers dient, gebildet werden. Darüber hinaus kann die zweite Pumpzelle durch Einbeziehen der zweiten inneren Elektrode, einer zweiten äußeren Elektrode, die in einem Bereich angeordnet ist, der dem Messgegenstandsgas außerhalb des Elementkörpers ausgesetzt ist, und eines Festelektrolyten, der als Strompfad zwischen der zweiten inneren Elektrode und der zweiten äußeren Elektrode des Elementkörpers dient, gebildet werden.
  • [2] Der vorstehend beschriebene Gassensor (der Gassensor nach [1]) kann ferner umfassen: Eine Referenzelektrode, die derart innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt kommt, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient; und eine Einstellpumpzelle, welche die erste Pumpzelle umfasst, wobei die Einstellpumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts ausgebildet ist. Die erste innere Elektrode kann in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer angeordnet sein, die zweite innere Elektrode kann eine innere Messelektrode sein, die in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts von der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist, die zweite Pumpzelle kann eine Messpumpzelle sein, die Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, aus der Messkammer hinauspumpt, die Steuervorrichtung kann einen Einstellpumpsteuervorgang des Steuerns der Einstellpumpzelle derart, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer eine Zielkonzentration erreicht, einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorgang des Erfassens einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines ersten Pumpstroms, bei dem das Fließen durch die erste Pumpzelle durch den Einstellpumpsteuervorgang bewirkt wird, einen Messpumpsteuervorgang des Regelns einer Steuerspannung, die an die Messpumpzelle angelegt werden soll, derart, dass eine Spannung über die Referenzelektrode und die innere Messelektrode einen Zielwert erreicht, und einen Erfassungsvorgang der Konzentration eines spezifischen Gases des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Messpumpstroms durchführen, welcher der zweite Pumpstrom ist, bei dem durch den Messpumpsteuervorgang bewirkt wird, dass er durch die Messpumpzelle fließt. In dem Korrekturvorgang kann die Steuervorrichtung auf der Basis der zweiten Impedanz den Messpumpstrom in dem Vorgang des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases oder die Konzentration eines spezifischen Gases korrigieren. Auf diese Weise wird die erste Impedanz der ersten Pumpzelle, d.h., der Einstellpumpzelle, so gesteuert, dass sie einen Zielwert erreicht, wodurch der Vorgang, der unter Verwendung der ersten Pumpzelle durchgeführt wird, d.h., der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorgang, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann. Darüber hinaus wird für die zweite Pumpzelle, d.h., die Messpumpzelle, der Messpumpstrom korrigiert oder die Konzentration eines spezifischen Gases wird auf der Basis der zweiten Impedanz korrigiert, wodurch der Vorgang, der unter Verwendung der zweiten Pumpzelle durchgeführt wird, d.h., der Erfassungsvorgang der Konzentration eines spezifischen Gases, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden kann.
  • [3] Bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach [2]) kann die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum, in dem die erste innere Elektrode angeordnet ist, und einen zweiten inneren Hohlraum umfassen, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum angeordnet ist und stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist, die Einstellpumpzelle kann eine Hauptpumpzelle, welche die erste Pumpzelle ist, und eine Hilfspumpzelle umfassen, die eine Hilfspumpelektrode aufweist, die in dem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist und zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist, und der Einstellpumpsteuervorgang kann einen Hauptpumpsteuervorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum und einen Hilfspumpsteuervorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum umfassen.
  • [4] Bei dem vorstehend beschriebenen Gassensor (dem Gassensor nach einem von [1] bis [3]) kann die erste Impedanzmesseinrichtung die erste Impedanz durch Anlegen der Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die erste innere Elektrode messen und die zweite Impedanzmesseinrichtung kann die zweite Impedanz durch Anlegen der Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die zweite innere Elektrode messen. Wenn eine Spannung mit einer relativ hohen Frequenz von 1 kHz oder höher angelegt wird und die erste Impedanz gemessen wird, ist es unwahrscheinlich, dass die erste Impedanz den Reaktionswiderstand der ersten inneren Elektrode der ersten Pumpzelle enthält, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Widerstandswert des Festelektrolyten der ersten Pumpzelle auftritt, wobei der Widerstandswert sehr gut mit der Temperatur der ersten Pumpzelle korreliert. Daher wird die Genauigkeit der Steuerung der Temperatur der ersten Pumpzelle durch den Heizeinrichtungssteuerungsvorgang verbessert. Darüber hinaus ist es, wenn eine Spannung mit einer relativ hohen Frequenz von 1 kHz oder höher angelegt wird und die zweite Impedanz gemessen wird, unwahrscheinlich, dass die zweite Impedanz den Reaktionswiderstand der zweiten inneren Elektrode der zweiten Pumpzelle enthält, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Widerstandswert des Festelektrolyten der zweiten Pumpzelle auftritt, wobei der Widerstandswert sehr gut mit der Temperatur der zweiten Pumpzelle korreliert. Daher wird bei dem Korrekturvorgang auf der Basis der zweiten Impedanz eine Änderung des zweiten Pumpstroms aufgrund einer Temperaturänderung der zweiten Pumpzelle einfach korrigiert. Kurz gesagt wird die Genauigkeit der Korrektur in dem Korrekturvorgang verbessert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 95, Zellen und einer Heizeinrichtung 72 zeigt.
    • 3 ist ein Graph, der ein Beispiel einer Pulsspannung zeigt, die durch eine erste und eine zweite Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b angelegt wird.
    • 4 ist ein Graph, der eine Beziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Offset-Strom Ip2Offset zeigt.
    • 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Steuerroutine zeigt.
    • 6 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 201 gemäß einer Modifizierung.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mittels der Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 95, Zellen und einer Heizeinrichtung 72 zeigt. Der Gassensor 100 ist beispielsweise in einer Leitung, wie z.B. einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, eingebaut. Der Gassensor 100 nutzt das Abgas von einem Verbrennungsmotor als das Messgegenstandsgas und erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx und Ammoniak, in dem Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als die Konzentration eines spezifischen Gases. Der Gassensor 100 weist ein langes, rechteckiges Parallelepiped-förmiges Sensorelement 101, Zellen 21, 41, 50, 80 bis 83, die in das Sensorelement 101 einbezogen sind, einen Heizeinrichtungsabschnitt 70, der innerhalb des Sensorelements 101 bereitgestellt ist, und eine Steuervorrichtung 95 auf, die variable Stromversorgungen 24, 46, 52 und eine Heizeinrichtungsstromversorgung 76 umfasst und den gesamten Gassensor 100 steuert.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper, in dem sechs Schichten, d.h., eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, die jeweils aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht, die aus Zirkoniumoxid (ZrO2) oder dergleichen hergestellt sind, in dieser Reihenfolge von einer Unterseite in der Zeichnung laminiert sind. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist luftdicht. Das Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Anwenden einer vorgegebenen Verarbeitung, Drucken einer Schaltkreisstruktur und dergleichen auf einer Keramikgrünlage, die jeder Schicht entspricht, dann Laminieren dieser Lagen und ferner Brennen der Lagen zum Integrieren hergestellt.
  • Auf der Seite eines Spitzenendabschnitts des Sensorelements 101 (Seite des linken Endabschnitts in der 1) sind eine Gaseinlassöffnung 10, ein erster diffusionseingestellter Abschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter diffusionseingestellter Abschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter diffusionseingestellter Abschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter diffusionseingestellter Abschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 in dieser Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 derart aneinander angrenzend ausgebildet, dass sie miteinander in Verbindung stehen.
  • Die Gaseinlassöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40 und der dritte innere Hohlraum 61 sind Räume, deren obere Teile, untere Teile und Seitenteile, die durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt werden, durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bzw. die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 innerhalb des Sensorelements 101 festgelegt sind.
  • Jeder des ersten diffusionseingestellten Abschnitts 11, des zweiten diffusionseingestellten Abschnitts 13 und des dritten diffusionseingestellten Abschnitts 30 ist als zwei lateral lange Schlitze bereitgestellt (als Öffnungen, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist). Der vierte diffusionseingestellte Abschnitt 60 ist als einzelner lateral langer Schlitz bereitgestellt (als Öffnung, deren Längsrichtung eine Richtung senkrecht zur Zeichnung ist), der als Zwischenraum von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Ein Teil von der Gaseinlassöffnung 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 wird auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet.
  • An einer Stelle weiter entfernt von der Spitzenendseite als der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist ein Referenzgas-Einlassraum 43 zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Stelle bereitgestellt, an welcher der Seitenteil durch die Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist. Beispielsweise wird zum Zeitpunkt des Messens einer NOx-Konzentration Luft in den Referenzgas-Einlassraum 43 als Referenzgas eingeführt.
  • Die Referenzgas-Einführungsschicht 48 ist eine Schicht, die aus einer porösen Keramik hergestellt ist. Das Referenzgas wird durch den Referenzgas-Einlassraum 43 in die Referenzgas-Einführungsschicht 48 eingeführt. Die Referenzgas-Einführungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 beschichtet.
  • Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die derart ausgebildet ist, dass die Referenzelektrode 42 durch die obere Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und die erste Festelektrolytschicht 4 umgeben ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die Referenzgas-Einführungsschicht 48, die mit dem Referenzgas-Einlassraum 43 in Verbindung steht, um die Referenzelektrode 42 bereitgestellt. Wie es später beschrieben wird, können eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20, eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 und eine Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch Verwenden der Referenzelektrode 42 gemessen werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (beispielsweise eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO2) ausgebildet.
  • In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist die Gaseinlassöffnung 10 ein Abschnitt, der zu einem Außenraum offen ist, und ein Messgegenstandsgas wird von dem Außenraum durch die Gaseinlassöffnung 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen. Der erste diffusionseingestellte Abschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas ausübt, das durch die Gaseinlassöffnung 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgegenstandsgases, das von dem ersten diffusionseingestellten Abschnitt 11 eingeführt worden ist, zu dem zweiten diffusionseingestellten Abschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite diffusionseingestellte Abschnitt 13 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das durch die Gaseinlassöffnung 10 aufgrund von Druckschwankungen des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (aufgrund eines Pulsierens des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas das Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) rasch in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern das Messgegenstandsgas wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem Druckschwankungen des Messgegenstandsgases durch den ersten diffusionseingestellten Abschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten diffusionseingestellten Abschnitt 13 beseitigt worden sind. Durch diesen Aufbau sind die Druckschwankungen des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum bereitgestellt, der zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas verwendet wird, das durch den zweiten diffusionseingestellten Abschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer innenseitigen Pumpelektrode 22 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 22a, der im Wesentlichen über der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, einer äußeren Pumpelektrode 23, die in einem Bereich der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 derart bereitgestellt ist, dass sie zu einem Außenraum freiliegt, wobei der Bereich dem oberen Elektrodenabschnitt 22a entspricht, der zweiten Festelektrolytschicht 6, die als Strompfad zwischen diesen Elektroden dient, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 ist über der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 festlegen, und der Abstandshalterschicht 5, die eine Seitenwand bereitstellt, ausgebildet. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, die eine obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet und stellt eine untere Oberfläche bereit, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt) ist auf der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet und bildet beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20, so dass der obere Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b verbunden werden, und die innere Pumpelektrode 22 ist mit einer Struktur in einer Tunnelform an einem Abschnitt angeordnet, bei dem der Seitenelektrodenabschnitt angeordnet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermetelektrode (beispielsweise eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO2 mit einem Au-Gehalt von 1 Prozent) ausgebildet. Die innere Pumpelektrode 22, die ein Messgegenstandsgas kontaktiert, wird unter Verwendung eines Materials gebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
  • Durch Leiten eines Pumpstroms Ip0 in eine positive Richtung oder eine negative Richtung zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff in dem Außenraum in den ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen.
  • Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in einer Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80, aus der inneren Pumpelektrode 22, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet.
  • Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Spannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 24 derart gesteuert, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht. Durch diesen Aufbau kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
  • Der dritte diffusionseingestellte Abschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf ein Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt bzw. gesteuert wird, zum Leiten des Messgegenstandsgases zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 ausübt.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum bereitgestellt, der zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks unter Verwendung einer Hilfspumpzelle 50 für das Messgegenstandsgas verwendet wird, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt worden ist, und dann durch den dritten diffusionseingestellten Abschnitt 30 eingeführt wird. Durch diesen Aufbau kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 sehr genau bei einem konstanten Wert gehalten werden, so dass die NOx-Konzentration mit dem Gassensor 100 sehr genau gemessen werden kann.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 51a, der im Wesentlichen auf der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt und eine passende Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann verwendet werden), der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer Struktur in einer Tunnelform angeordnet, die derjenigen der inneren Pumpelektrode 22 entspricht, die in dem vorstehend beschriebenen ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist. Mit anderen Worten, die Hilfspumpelektrode 51 weist eine Struktur in einer Tunnelform auf, bei der ein oberer Elektrodenabschnitt 51a auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist und die obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 51b auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist und die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitstellt, ein Seitenelektrodenabschnitt (nicht gezeigt), der den oberen Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51 b koppelt, auf jeder von beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet ist, wobei eine Seitenwand des zweiten inneren Hohlraums 40 bereitgestellt wird. Die Hilfspumpelektrode 51 sowie die innere Pumpelektrode 22 sind unter Verwendung eines Materials ausgebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
  • Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder Sauerstoff von dem Außenraum in den zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen.
  • Zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81, aus der Hilfspumpelektrode 51, der Referenzelektrode 42, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 ausgebildet.
  • Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen mit einer variablen Stromversorgung 52 durch, deren Spannung gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Mit diesem Aufbau wird der Sauerstoffpartialdruck in einer Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
  • Zusammen damit wird deren Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 als Steuersignal eingespeist und der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionseingestellten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, wird durch Steuern des vorstehend beschriebenen Zielwerts der Spannung V0 so gesteuert, dass er konstant unverändert ist. Bei einer Verwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Der vierte diffusionseingestellte Abschnitt 60 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zum Leiten des Messgegenstandsgases zu dem dritten inneren Hohlraum 61 gesteuert bzw. eingestellt wird. Der vierte diffusionseingestellte Abschnitt 60 spielt eine Rolle bei der Beschränkung der Menge von NOx, die in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
  • Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum bereitgestellt, der zum Durchführen eines Vorgangs zum Messen der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas mit dem Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 im Vorhinein eingestellt worden ist und dann durch den vierten diffusionseingestellten Abschnitt 60 eingeführt wird, verwendet wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durchgeführt.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist und auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode, die aus einem Material hergestellt ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas verglichen mit der inneren Pumpelektrode 22 erhöht ist. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der NOx reduziert, das in einer Atmosphäre in dem dritten inneren Hohlraum 61 vorliegt.
  • Die Messpumpzelle 41 kann Sauerstoff, der als Ergebnis einer Zersetzung von Stickstoffoxiden in einer Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt worden ist, hinauspumpen und die erzeugte Menge von Sauerstoff als Pumpstrom Ip2 erfassen.
  • Zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die Messelektrode 44 ist eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82, aus der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet. Eine variable Stromversorgung 46 wird im Vorhinein mit einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird.
  • Ein Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet wird, erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den vierten diffusionseingestellten Abschnitt 60 in einer Situation, in welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Stickstoffoxide in dem Messgegenstandsgas um die Messelektrode 44 werden reduziert (2 NO → N2 + O2), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Der erzeugte Sauerstoff soll durch die Messpumpzelle 41 gepumpt werden. Dabei wird die Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, konstant ist (Zielwert). Die Menge von Sauerstoff, die um die Messelektrode 44 erzeugt wird, ist proportional zu der Konzentration von Stickstoffoxiden in dem Messgegenstandsgas, so dass die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet wird.
  • Wenn eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsvorrichtung durch Kombinieren der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 als elektrochemische Sensorzelle ausgebildet ist, kann eine elektromotorische Kraft gemäß der Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, der durch die Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff, die in der Referenzatmosphäre enthalten ist, erfasst werden, und demgemäß kann die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas bestimmt werden.
  • Eine elektrochemische Sensorzelle 83 ist aus der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3, der äußeren Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 ausgebildet, und der Sauerstoffpartialdruck in einem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann durch Verwenden der elektromotorischen Kraft (Spannung Vref), die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird, erfasst werden.
  • In dem Gassensor 100 mit einem solchen Aufbau wird ein Messgegenstandsgas, bei dem der Sauerstoffpartialdruck bei einem konstant unveränderten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst), der Messpumpzelle 41 durch Betreiben der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 zugeführt. Daher kann eine NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas gemäß einem Pumpstrom Ip2 ermittelt werden, der als Ergebnis des Hinauspumpens von Sauerstoff, der durch eine Reduktion von NOx erzeugt wird, durch die Messpumpzelle 41 im Wesentlichen proportional zu der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas fließt.
  • Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 101 den Heizeinrichtungsabschnitt 70, der eine Rolle bei der Temperatureinstellung zum Aufrechterhalten der Temperatur des Sensorelements 101 durch Erwärmen zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten spielt. Der Heizeinrichtungsabschnitt 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
  • Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die derart ausgebildet ist, dass sie mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 in Kontakt ist. Die Verbindung der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromversorgung ermöglicht die Zuführung von elektrischem Strom von außen zu dem Heizeinrichtungsabschnitt 70.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der derart ausgebildet ist, dass er durch die zweite Substratschicht 2 und die dritte Substratschicht 3 von der Ober- und der Unterseite umgeben ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 über das Durchgangsloch 73 verbunden und wird von einer Heizeinrichtungsstromversorgung 76 (vgl. die 2) durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit Strom versorgt, so dass Wärme zum Erhöhen und Halten der Temperatur des Festelektrolyten erzeugt wird, der das Sensorelement 101 bildet.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiviert ist.
  • Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine elektrisch isolierende Schicht, die aus einem isolierenden Material, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist zum Erhalten von elektrischen Isoliereigenschaften zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und elektrischen Isoliereigenschaften zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 ausgebildet.
  • Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die Referenzgas-Einführungsschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgas-Einlassraum 43 in Verbindung steht. Das Druckablassloch 75 ist zum Erleichtern einer Zunahme des Innendrucks ausgebildet, die sich aus einer Zunahme der Temperatur in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ergibt.
  • Wie es in der 2 gezeigt ist, umfasst die Steuervorrichtung 95 die vorstehend genannten variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, eine erste Impedanzmesseinrichtung 47a, eine zweite Impedanzmesseinrichtung 47b, die vorstehend genannte Heizeinrichtungsstromversorgung 76 und eine Steuereinrichtung 96.
  • Die erste Impedanzmesseinrichtung 47a ist eine Vorrichtung, die eine erste Impedanz R1 durch Anlegen einer Spannung an die innere Pumpelektrode 22 (ein Beispiel für die erste innere Elektrode) misst. Die erste Impedanzmesseinrichtung 47a misst die erste Impedanz R1 durch Anlegen einer Spannung mit einer vorgegebenen ersten Frequenz an die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23, die zwei Elektroden sind, die in die Hauptpumpzelle 21 (ein Beispiel für die erste Pumpzelle) einbezogen sind. Die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b ist eine Vorrichtung, die eine zweite Impedanz R2 durch Anlegen einer Spannung an die Messelektrode 44 (ein Beispiel für die zweite innere Elektrode) misst. Die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b misst die zweite Impedanz R2 durch Anlegen einer Spannung mit einer vorgegebenen zweiten Frequenz an die Messelektrode 44 und die äußere Pumpelektrode 23, die zwei Elektroden sind, die in die Messpumpzelle 41 (ein Beispiel für die zweite Pumpzelle) einbezogen sind. Die erste Impedanzmesseinrichtung 47a und die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b umfassen beispielsweise eine Stromversorgung, eine Spannungsmesseinrichtung und eine Strommesseinrichtung, die nicht gezeigt sind, und messen die erste Impedanz R1 und die zweite Impedanz R2 auf der Basis der Spannung und des Stroms, die durch die Spannungsmesseinrichtung und die Strommesseinrichtung gemessen werden, wenn von der Stromversorgung eine Spannung angelegt wird.
  • In dieser Ausführungsform legt die erste Impedanzmesseinrichtung 47a eine Pulsspannung mit einer Rechteckwelle, die in der 3 gezeigt ist, an die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 der Hauptpumpzelle 21 an und misst das Änderungsausmaß ΔV der Spannung über der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 und das Änderungsausmaß ΔI des Stroms, der dann durch die Hauptpumpzelle 21 fließt. Die erste Impedanzmesseinrichtung 47a berechnet dann die erste Impedanz R1 [Ω] (R1 = ΔV/ΔI) durch Dividieren des Änderungsausmaßes ΔV der Spannung durch das Änderungsausmaß ΔI des Stroms. Entsprechend legt die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b die Pulsspannung, die in der 3 gezeigt ist, an die Messpumpzelle 41 an und berechnet die zweite Impedanz R2 [Ω] durch Dividieren des Änderungsausmaßes ΔV der Spannung über der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 durch das Änderungsausmaß ΔI des Stroms, der durch die Messpumpzelle 41 fließt.
  • Die erste Frequenz, welche die Frequenz der Spannung ist, die durch die erste Impedanzmesseinrichtung 47a angelegt wird, beträgt vorzugsweise 1 kHz oder mehr. Wenn eine Spannung mit einer relativ hohen Frequenz von 1 kHz oder höher angelegt wird und die erste Impedanz R1 gemessen wird, ist es unwahrscheinlich, dass die erste Impedanz R1 den Reaktionswiderstand der inneren Pumpelektrode 22 der Hauptpumpzelle 21 enthält, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Widerstandswert des Festelektrolyten (der Schichten 4 bis 6 in diesem Fall) der Hauptpumpzelle 21 als die erste Impedanz R1 erscheint, wobei der Widerstandswert stark mit der Temperatur der Hauptpumpzelle 21 korreliert. Entsprechend beträgt die zweite Frequenz, welche die Frequenz der Spannung ist, die durch die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b angelegt wird, vorzugsweise 1 kHz oder mehr. Wenn eine Spannung mit einer relativ hohen Frequenz von 1 kHz oder mehr angelegt wird und die zweite Impedanz R2 gemessen wird, ist es unwahrscheinlich, dass die zweite Impedanz R2 den Reaktionswiderstand der Messelektrode 44 der Messpumpzelle 41 enthält, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Widerstandswert des Festelektrolyten (der Schichten 4 bis 6 in diesem Fall) der Messpumpzelle 41 als die zweite Impedanz R2 erscheint, wobei der Widerstandswert stark mit der Temperatur der Messpumpzelle 41 korreliert. Die erste Frequenz und die zweite Frequenz können jeweils 100 kHz oder niedriger sein. Die erste Frequenz und die zweite Frequenz können den gleichen Wert oder verschiedene Werte aufweisen. Wenn die angelegte Spannung die Pulsspannung wie in der 3 ist, weist die Frequenz der Pulsspannung den Wert auf, der als 1/(2 × T) [Hz] berechnet wird, wobei T [s] die Pulsbreite der positiven Seite der angelegten Pulsspannung ist.
  • Die Steuereinrichtung 96 ist ein Mikroprozessor, der eine CPU 97 und einen Speicherabschnitt 98 umfasst. Der Speicherabschnitt 98 ist ein nicht-flüchtiger Speicher, der Informationen neu schreiben kann und der beispielsweise verschiedene Programme und verschiedene Daten speichern kann. Die Steuereinrichtung 96 erhält die Einspeisung einer Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 erfasst wird, einer Spannung V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird, einer Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, einer Spannung Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, eines Pumpstroms Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, eines Pumpstroms Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und eines Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 erfasst wird. Die Steuereinrichtung 96 steuert die Spannungen Vp0, Vp1, Vp2, die durch die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52 ausgegeben werden, durch Ausgeben eines Steuersignals an die variablen Stromversorgungen 24, 46, 52, wodurch die Hauptpumpzelle 21, die Messpumpzelle 41 und die Hilfspumpzelle 50 gesteuert werden. Die Steuereinrichtung 96 bewirkt, dass die erste und die zweite Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b eine Impedanzmessung durch Ausgeben eines Steuersignals an die erste und die zweite Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b durchführt, und erhält die Eingabe der Werte der ersten und der zweiten Impedanz R1, R2 von der ersten und der zweiten Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b als Ergebnis der Messung. Die Steuereinrichtung 96 steuert den elektrischen Strom, welcher der Heizeinrichtung 72 durch die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 zugeführt wird, durch Ausgeben eines Steuersignals zu der Heizeinrichtungsstromversorgung 76. Der Speicherabschnitt 98 speichert auch die später beschriebenen Zielwerte V0*, V1*, V2*, R1*, usw. Die CPU 97 der Steuereinrichtung 96 steuert die Zellen 21, 41, 50 und die Heizeinrichtung 72 durch eine Bezugnahme auf diese Zielwerte V0*, V1*, V2*, R1*.
  • Die Steuereinrichtung 96 führt einen Hilfspumpsteuervorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle 50 derart durch, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine Zielkonzentration erreicht. Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 96 die Hilfspumpzelle 50 durch Durchführen einer Regelung mit der Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 derart, dass die Spannung V1 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V1* bezeichnet). Der Zielwert V1* ist als der Wert festgelegt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, welche die Messung von NOx im Wesentlichen nicht beeinflusst.
  • Die Steuereinrichtung 96 führt einen Hauptpumpsteuervorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle 21 derart durch, dass der Pumpstrom Ip1, der zum Zeitpunkt des Einstellens der Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch die Hilfspumpzelle 50 mittels des Hilfspumpsteuervorgangs eingestellt wird, einen Zielstrom erreicht (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Insbesondere führt die Steuereinrichtung 96 die Einstellung (Regelung) eines Zielwerts (als Zielwert V0* bezeichnet) der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart durch, dass der elektrische Pumpstrom Ip1, der durch die Spannung Vp1 fließt, einen konstanten Zielstrom Ip1* erreicht. Die Steuereinrichtung 96 führt dann eine Regelung mit der Spannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart durch, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Zielkonzentration). Es wird bewirkt, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in einem Messgegenstandsgas, das von dem dritten diffusionseingestellten Abschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, durch den Hauptpumpsteuervorgang konstant unverändert gemacht wird. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, der bewirkt, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 höher als 0 % und eine niedrige Sauerstoffkonzentration ist. Der Pumpstrom Ip0, der während des Hauptpumpsteuervorgangs fließt, variiert gemäß der Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas (d.h., einem Messgegenstandsgas in der Umgebung des Sensorelements 101), das durch die Gaseinlassöffnung 10 in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt geströmt ist. Folglich kann die Steuereinrichtung 96 auch die Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip0 erfassen.
  • Der Hauptpumpsteuervorgang und der Hilfspumpsteuervorgang, die vorstehend beschrieben worden sind, werden zusammen auch als Einstellpumpsteuervorgang bezeichnet. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 werden zusammen auch als Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer bezeichnet. Die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 werden zusammen auch als Einstellpumpzelle bezeichnet. Die Steuereinrichtung 96 führt den Einstellpumpsteuervorgang durch und dadurch stellt die Einstellpumpzelle die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer ein.
  • Darüber hinaus führt die Steuereinrichtung 96 einen Messpumpsteuervorgang des Steuerns der Messpumpzelle 41 derart durch, dass die Spannung V2 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (insbesondere derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 eine vorgegebene niedrige Konzentration erreicht). Insbesondere steuert die Steuereinrichtung 96 die Messpumpzelle 41 durch Durchführen einer Regelung mit der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart, dass die Spannung V2 den Zielwert V2* erreicht. Durch den Messpumpsteuervorgang wird Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt.
  • Die Ausführung des Normalzeit-Messpumpsteuervorgangs bewirkt, dass Sauerstoff aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt wird, so dass der Sauerstoff, der aufgrund der Reduktion von NOx in einem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Die Steuereinrichtung 96 erhält einen Pumpstrom Ip2 als einen erfassten Wert gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas (hier NOx) erzeugt wird, und berechnet die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2.
  • Der Speicherabschnitt 98 speichert einen Beziehungsausdruck (beispielsweise einen Ausdruck einer linearen Funktion oder einer quadratischen Funktion) oder ein Kennfeld als Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher Beziehungsausdruck oder ein solches Kennfeld kann durch ein Experiment vorgegeben werden.
  • Die Steuereinrichtung 96 führt einen Heizeinrichtungssteuerungsvorgang des Steuerns der Heizeinrichtung 72 derart durch, dass die erste Impedanz R1 den Zielwert R1* erreicht. Insbesondere bewirkt die Steuereinrichtung 96, dass die erste Impedanzmesseinrichtung 47a die erste Impedanz R1 misst, und führt eine Regelung der Heizeinrichtungsstromversorgung 76 derart durch, dass der gemessene Wert den Zielwert R1* erreicht. Der Zielwert R1* wird im Vorhinein als Wert der ersten Impedanz R1 bestimmt und in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert, wobei die erste Impedanz R1 beispielsweise einer Zieltemperatur (beispielsweise 800 °C) des Festelektrolyten (Schichten 4 bis 6 in diesem Fall) entspricht, die zum ausreichenden Erhöhen des Pumpvermögens der Hauptpumpzelle 21 erforderlich ist. Beispielsweise wenn die gemessene erste Impedanz R1 höher ist als der Zielwert R1* (mit anderen Worten, wenn die Temperatur der Hauptpumpzelle 21 niedriger ist als die Zieltemperatur), steuert die Steuereinrichtung 96 die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 derart, dass die Temperatur des Festelektrolyten durch Erhöhen der elektrischen Leistung, die der Heizeinrichtung 72 zugeführt wird, erhöht wird. Wenn ein elektrischer Strom durch die Heizeinrichtung 72 geleitet wird, stellt die Heizeinrichtungsstromversorgung 76 die elektrische Leistung, die der Heizeinrichtung 72 zugeführt wird, durch Ändern des Werts der Spannung, die an die Heizeinrichtung 72 angelegt wird, beispielsweise auf der Basis eines Steuersignals von der Steuereinrichtung 96 ein.
  • Wenn der Heizeinrichtungssteuerungsvorgang, wie er vorstehend beschrieben ist, durchgeführt wird, kann die erste Impedanz R1 der Hauptpumpzelle 21 auf den Zielwert R1* eingestellt werden, jedoch ändert sich demgemäß auch die Temperatur der Messpumpzelle 41. Darüber hinaus wird beispielsweise auch die Temperatur der Hauptpumpzelle 21 und der Messpumpzelle 41 durch die Temperatur des Messgegenstandsgases geändert. Es ist unwahrscheinlich, dass die Hauptpumpzelle 21 durch die Temperatur des Messgegenstandsgases beeinflusst wird, da die Temperatur der Hauptpumpzelle 21 durch den Heizeinrichtungssteuerungsvorgang eingestellt wird; es ist jedoch wahrscheinlich, dass die Temperatur der Messpumpzelle 41 durch die Temperatur des Messgegenstandsgases beeinflusst wird. Folglich erreicht die zweite Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 nicht notwendigerweise einen gewünschten Wert. Eine Änderung der zweiten Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 bewirkt, dass sich auch der Pumpstrom Ip2 ändert, was einen Effekt auf die Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration aufweisen kann. Folglich haben die Erfinder die Beziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 und dem Pumpstrom Ip2 untersucht. Zuerst wurde als das Messgegenstandsgas ein Modellgas hergestellt, das Stickstoff als Basisgas, eine Sauerstoffkonzentration von 0 %, eine Wasserkonzentration von 3 % und eine NO-Konzentration von 0 ppm enthält. Als nächstes beginnt die Steuereinrichtung 96 mit der vorstehend beschriebenen Heizeinrichtungssteuerung mit dem Sensorelement 101, das dem Modellgas ausgesetzt ist, dann beginnt, nachdem die erste Impedanz R1 etwa den Zielwert R1* erreicht, die Steuereinrichtung 96 ferner mit dem Einstellpumpsteuervorgang und dem Messpumpsteuervorgang. Anschließend wurde der Wert des Pumpstroms Ip2 gemessen, wobei der Pumpstrom Ip2 stabil war. Da das Modellgas eine NO-Konzentration von 0 ppm aufweist, ist der Pumpstrom Ip2 theoretisch 0 µA, jedoch fließt tatsächlich ein geringer Pumpstrom Ip2. Ein solcher Pumpstrom Ip2, der aufgrund eines Faktors fließt, der von dem spezifischen Gas (NOx in diesem Fall) verschieden ist, wird als Offset-Strom Ip2Offset bezeichnet. Der Offset-Strom Ip2Offset ist auch in dem Pumpstrom Ip2 enthalten, wenn die NOx-Konzentration nicht 0 ppm beträgt. Anschließend wurde der Pumpstrom Ip2 (Offset-Strom Ip2Offset) mit dem gleichen Verfahren gemessen, wie es vorstehend beschrieben worden ist, mit der Ausnahme, dass die zweite Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 durch Ändern der Gastemperatur des Modellgases verschieden gemacht wird. Als die Beziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Offset-Strom Ip2Offset wurde der Graph, der in der 4 gezeigt ist, durch diese Messungen erhalten. In der 4 sind sieben Punkte des Messergebnisses durch schwarze Punkte angegeben und eine Näherungskurve auf der Basis des Messergebnisses ist durch eine gestrichelte Linie als Kurve L angegeben.
  • Wie es aus der 4 ersichtlich ist, wurde festgestellt, dass der Offset-Strom Ip2Offset für eine höhere zweite Impedanz R2 tendenziell abnimmt. Dabei gibt es eine Korrelation zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Offset-Strom Ip2Offset, wobei gefunden wird, dass der Offset-Strom Ip2Offset auf der Basis der zweiten Impedanz R2 abgeleitet werden kann. Folglich wird in dieser Ausführungsform als die Entsprechungsbeziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Offset-Strom Ip2Offset ein Beziehungsausdruck oder ein Kennfeld, der bzw. das die Kurve L darstellt, die in der 4 gespeichert ist, im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert. Wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas berechnet wird, führt die Steuereinrichtung 96 den später beschriebenen Korrekturvorgang durch Nutzen der Entsprechungsbeziehung durch.
  • Als nächstes wird ein Beispiel für den Vorgang des Messens der NOx-Konzentration durch die Steuereinrichtung 96 des Gassensors 100 beschrieben. Die 5 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel für die Steuerroutine zeigt, die durch die Steuereinrichtung 96 ausgeführt wird. Die Steuereinrichtung 96 speichert die Routine beispielsweise in dem Speicherabschnitt 98. Nach der Eingabe einer Startanweisung beispielsweise von einem Motor-ECU, das nicht gezeigt ist, startet die Steuereinrichtung 96 die Steuerroutine. Es sollte beachtet werden, dass die Steuereinrichtung 96 in dieser Ausführungsform auch die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas misst.
  • Nach dem Start der Steuerroutine beginnt die CPU 97 der Steuereinrichtung 96 zuerst mit dem vorstehend beschriebenen Heizeinrichtungssteuerungsvorgang (Schritt S100). Wenn mit dem Heizeinrichtungssteuerungsvorgang begonnen wird, werden die Messung der ersten Impedanz R1 durch die erste Impedanzmesseinrichtung 47a und die Steuerung der Heizeinrichtung 72 durch die CPU 97 auf der Basis des gemessenen Werts und des Zielwerts R1*, die vorstehend beschrieben worden sind, wiederholt durchgeführt. Anschließend beginnt die CPU 97 mit dem Einstellpumpsteuervorgang und dem Messpumpsteuervorgang, die vorstehend beschrieben worden sind (Schritt S110). Wenn die erste Impedanzmesseinrichtung 47a die erste Impedanz R1 der Hauptpumpzelle 21 nach dem Beginn des Einstellpumpsteuervorgangs und des Messpumpsteuervorgangs misst, steuert die CPU 97 vorzugsweise die variable Stromversorgung 24 derart, dass sich der Wert der Spannung Vp0, die an die Hauptpumpzelle 21 angelegt wird, vorübergehend vermindert. Darüber hinaus unterbricht die CPU 97 vorzugsweise den Hauptpumpsteuervorgang, so dass die Spannung Vp0 nicht an die Hauptpumpzelle 21 angelegt wird. Auf diese Weise kann eine Änderung des Messwerts der ersten Impedanz R1 aufgrund des Effekts der Spannung Vp0 verhindert werden und die Genauigkeit der Messung der ersten Impedanz R1 wird verbessert.
  • Als nächstes bestimmt die CPU 97, ob ein Konzentrationsableitungszeitpunkt zum Ableiten der Sauerstoffkonzentration und der NOx-Konzentration erreicht worden ist oder nicht (Schritt S120). Beispielsweise bestimmt jedesmal, wenn eine vorgegebene Zeit vergangen ist oder wenn eine Konzentrationsableitungsanweisung von dem Motor-ECU eingegeben wird, die CPU 97, dass ein Konzentrationsableitungszeitpunkt erreicht worden ist.
  • Wenn im Schritt S120 bestimmt wird, dass ein Konzentrationsableitungszeitpunkt erreicht worden ist, führt die CPU 97 zuerst einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorgang des Ableitens der Sauerstoffkonzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip0 durch (Schritt S130). In dem Einstellpumpsteuervorgang (insbesondere dem Hauptpumpsteuervorgang) steuert die CPU 97 die Hauptpumpzelle 21 derart, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht (mit anderen Worten, die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht die Zielkonzentration), und kann folglich die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip0 ableiten, wie es vorstehend beschrieben ist. In dieser Ausführungsform wird ein Beziehungsausdruck oder ein Kennfeld, der oder das die Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip0 und der Sauerstoffkonzentration zeigt, durch ein Experiment bestimmt und im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert. Im Schritt S130 berechnet die CPU 97 die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des gegenwärtigen Pumpstroms Ip0 und der Entsprechungsbeziehung, die in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert ist.
  • Anschließend führt die CPU 97 einen Vorgang des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases durch, bei dem die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2 erfasst wird (Schritte S140 bis S180). Der Vorgang des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases umfasst einen Korrekturvorgang (Schritte S160, S170) des Korrigierens des Pumpstroms Ip2 auf der Basis der zweiten Impedanz R2. In dem Vorgang des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases erhält die CPU 97 zuerst den Pumpstrom Ip2, der aufgrund des Messpumpsteuervorgangs fließt (Schritt S140). Als nächstes bewirkt die CPU 97, dass die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b die zweite Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 misst, und erfasst den erhaltenen Wert (Schritt S150). Einer des Schritts S140 und des Schritts S150 kann zuerst durchgeführt werden. In der gleichen Weise wie zum Zeitpunkt der Messung der ersten Impedanz R1, wenn die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b die zweite Impedanz R2 der Messpumpzelle 41 im Schritt S150 misst, steuert die CPU 97 vorzugsweise die variable Stromversorgung 46 derart, dass der Wert der Spannung Vp2, die an die Messpumpzelle 41 angelegt wird, vorübergehend vermindert wird. Darüber hinaus unterbricht die CPU 97 vorzugsweise den Messpumpsteuervorgang, so dass die Spannung Vp2 nicht an die Messpumpzelle 41 angelegt wird.
  • Anschließend leitet die CPU 97 den Offset-Strom Ip2Offset, welcher der zweiten Impedanz R2 entspricht, auf der Basis der gemessenen zweiten Impedanz R2 und der Entsprechungsbeziehung (z.B. der Beziehung der Kurve L von 4) zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Offset-Strom Ip2Offset, der in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert ist, ab (Schritt S160). Die CPU 97 korrigiert dann den Pumpstrom Ip2, der im Schritt S140 erhalten wird, auf der Basis des abgeleiteten Offset-Stroms Ip2Offset (Schritt S170). Insbesondere leitet die CPU 97 den Pumpstrom Ip2 nach einer Korrektur durch Subtrahieren des Offset-Stroms Ip2Offset, der im Schritt S160 abgeleitet worden ist, von dem Pumpstrom Ip2 ab, der im Schritt S140 erhalten worden ist. Folglich weist der Pumpstrom Ip2 nach der Korrektur einen Wert mit einem beseitigten Effekt einer Änderung des Offset-Stroms Ip2Offset aufgrund einer Änderung der zweiten Impedanz R2 auf. Anschließend leitet die CPU 97 die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2 nach der Korrektur ab (Schritt S180). Insbesondere leitet die CPU 97 die NOx-Konzentration, die dem Pumpstrom Ip2 entspricht, nach der Korrektur auf der Basis des Pumpstroms Ip2 nach der Korrektur und der Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration, die in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert ist, ab. Die auf diese Weise abgeleitete NOx-Konzentration weist einen Wert auf, bei dem es unwahrscheinlich ist, dass er durch eine Änderung des Offset-Stroms Ip2Offset aufgrund einer Änderung der zweiten Impedanz R2 beeinflusst wird, so dass die abgeleitete NOx-Konzentration verglichen mit dem nichtkorrigierten Pumpstrom Ip2 einen sehr genauen Wert aufweist, der näher an der tatsächlichen NOx-Konzentration liegt. Wie es vorstehend beschrieben ist, wird in dieser Ausführungsform die NOx-Konzentration auf der Basis des korrigierten Pumpstroms Ip2 abgeleitet, der durch Subtrahieren des Offset-Stroms Ip2Offset von dem Pumpstrom Ip2 erhalten wird, so dass es bezüglich der Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration, die im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert werden soll, ausreichend ist, dass eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem korrigierten Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration entsprechend erstellt werden kann. Alternativ kann eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration mit einem Offset-Strom Ip2Offset eines vorgegebenen Referenzwerts im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert werden. In diesem Fall kann die CPU 97 die Differenz zwischen dem Offset-Strom Ip2Offset, der in dem Schritt S160 abgeleitet worden ist, und dem Referenzwert als Korrekturausmaß ableiten und kann den Pumpstrom Ip2 nach der Korrektur durch Subtrahieren des Korrekturausmaßes von dem Pumpstrom Ip2, der im Schritt S140 erhalten worden ist, ableiten.
  • Nach dem Schritt S180 oder wenn ein Konzentrationsableitungszeitpunkt in dem Schritt S120 nicht erreicht worden ist, führt die CPU 97 die Vorgänge in und nach S120 durch. Die CPU 97 misst wiederholt die Sauerstoffkonzentration und die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas durch Ausführen der Steuerroutine, wie es vorstehend beschrieben ist.
  • Die Entsprechungsbeziehungen zwischen den Komponenten in dieser Ausführungsform und den Komponenten in der vorliegenden Erfindung werden nun verdeutlicht. Ein Schichtkörper, der durch schichtartiges Anordnen von sechs Schichten, die aus der ersten Substratschicht 1, der zweiten Substratschicht 2, der dritten Substratschicht 3, der ersten Festelektrolytschicht 4, der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet sind, in dieser Reihenfolge erhalten wird, entspricht einem Elementkörper der vorliegenden Erfindung, die innere Pumpelektrode 22 entspricht einer ersten inneren Elektrode, die Hauptpumpzelle 21 entspricht einer ersten Pumpzelle, die Messelektrode 44 entspricht einer zweiten inneren Elektrode, die Messpumpzelle 41 entspricht einer zweiten Pumpzelle, die Heizeinrichtung 72 entspricht einer Heizeinrichtung, die erste Impedanzmesseinrichtung 47a entspricht einer ersten Impedanzmesseinrichtung, die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b entspricht einer zweiten Impedanzmesseinrichtung, der Pumpstrom Ip2 entspricht einem zweiten Pumpstrom und die Steuervorrichtung 95 entspricht einer Steuervorrichtung. Darüber hinaus entspricht die äußere Pumpelektrode 23 einer ersten äußeren Elektrode und einer zweiten äußeren Elektrode, der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen einer Einstellpumpzelle, der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer, die Messelektrode 44 entspricht einer inneren Messelektrode, der Pumpstrom Ip0 entspricht einem ersten Pumpstrom und der Pumpstrom Ip2 entspricht einem Messpumpstrom.
  • Mit dem Gassensor 100 in dieser Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, wird die erste Impedanz R1 für die Hauptpumpzelle 21 gemessen und die Heizeinrichtung 72 wird so gesteuert, dass die erste Impedanz R1 den Zielwert R1* erreicht, so dass die erste Impedanz R1 in der Nähe des Zielwerts R1* für die Hauptpumpzelle 21 gehalten werden kann. Daher kann jedweder Vorgang unter Verwendung der Hauptpumpzelle 21 mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Einstellung der Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 unter Verwendung der Hauptpumpzelle 21 mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. In dieser Ausführungsform wird der Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorgang unter Verwendung des Pumpstroms Ip0 der Hauptpumpzelle 21 durchgeführt, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auch mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. Darüber hinaus wird die zweite Impedanz R2 für die Messpumpzelle 41 gemessen und der Korrekturvorgang auf der Basis der zweiten Impedanz R2 wird durchgeführt. Folglich kann jedweder Vorgang, bei dem die Messpumpzelle 41 verwendet wird, insbesondere der Vorgang auf der Basis des Pumpstroms Ip2 der Messpumpzelle 41, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Beispielsweise wird in dieser Ausführungsform der Vorgang des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases, bei dem die NOx-Konzentration erfasst wird, auf der Basis des Pumpstroms Ip2 durchgeführt, so dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas mit hoher Genauigkeit erfasst werden kann. Auf der Basis des Vorstehenden können in dem Gassensor 100 ein Vorgang, bei dem die Hauptpumpzelle 21 verwendet wird, und ein Vorgang, bei dem die Messpumpzelle 41 verwendet wird, beide mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden.
  • Ferner misst die erste Impedanzmesseinrichtung 47a die erste Impedanz R1 durch Anlegen einer Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die innere Pumpelektrode 22, so dass es wahrscheinlich ist, dass der Widerstandswert des Festelektrolyten der Hauptpumpzelle 21 in der ersten Impedanz R1 erscheint, wobei der Widerstandswert stark mit der Temperatur der Hauptpumpzelle 21 korreliert. Folglich wird die Genauigkeit der Steuerung der Temperatur der Hauptpumpzelle 21 durch den Heizeinrichtungssteuerungsvorgang verbessert. Ferner misst die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b die zweite Impedanz R2 durch Anlegen einer Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die Messelektrode 44, so dass der Widerstandswert des Festelektrolyten der Messpumpzelle 41 wahrscheinlich in der zweiten Impedanz R2 erscheint, wobei der Widerstandswert stark mit der Temperatur der Messpumpzelle 41 korreliert. Daher wird bei dem Korrekturvorgang auf der Basis der zweiten Impedanz R2 eine Änderung des zweiten Pumpstroms Ip2 aufgrund einer Temperaturänderung der Messpumpzelle 41 einfach korrigiert. Kurz gesagt wird die Genauigkeit der Korrektur in dem Korrekturvorgang verbessert.
  • Es sollte beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung in keinster Weise auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt ist und selbstverständlich in verschiedenen Modi innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung implementiert werden kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Spannung, die durch die erste und die zweite Impedanzmesseinrichtung 47a, 47b angelegt wird, eine Pulsspannung mit einer Rechteckwelle, ist jedoch nicht darauf beschränkt, und es kann sich um eine periodische Spannung handeln. Beispielsweise kann eine Spannung mit einer Dreieckwelle oder einer Sinuswelle angelegt werden.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform legt die erste Impedanzmesseinrichtung 47a eine Spannung an die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 an, die ein Paar von Elektroden sind, die in die Hauptpumpzelle 21 einbezogen sind, jedoch kann, ohne darauf beschränkt zu sein, die erste Impedanzmesseinrichtung 47a eine Spannung an mindestens die innere Pumpelektrode 22 anlegen, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist. Beispielsweise kann die erste Impedanzmesseinrichtung 47a die erste Impedanz R1 durch Anlegen einer Spannung an die innere Pumpelektrode 22 und die Referenzelektrode 42 messen. Selbst in diesem Fall kann die erste Impedanz R1 als Wert gemessen werden, der mindestens den Widerstandswert des Festelektrolyten um die innere Pumpelektrode 22 umfasst. Entsprechend kann die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b z.B. eine Spannung mindestens an die Messelektrode 44 anlegen oder kann eine Spannung an die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 anlegen.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform korrigiert die Steuereinrichtung 96 den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der zweiten Impedanz R2, kann jedoch einen Wert korrigieren, der auf der Basis des Pumpstroms Ip2 abgeleitet worden ist. Beispielsweise kann eine Entsprechungsbeziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 und dem Korrekturausmaß der NOx-Konzentration im Vorhinein untersucht und in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert werden. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 96 die NOx-Konzentration nach der Korrektur unter Verwendung der NOx-Konzentration, die auf der Basis des erhaltenen Pumpstroms Ip2 abgeleitet worden ist, und eines Korrekturausmaßes ableiten, das auf der Basis der gemessenen zweiten Impedanz R2 abgeleitet worden ist. Alternativ kann eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2, der zweiten Impedanz R2 und der NOx-Konzentration im Vorhinein untersucht und in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert werden. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 96 die NOx-Konzentration auf der Basis des erhaltenen Pumpstroms Ip2, der zweiten gemessenen Impedanz R2 und der Entsprechungsbeziehung ableiten. Folglich entspricht die abgeleitete NOx-Konzentration der NOx-Konzentration nach der Korrektur, wobei die zweite Impedanz R2 berücksichtigt wird.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde ein Fall beschrieben, bei dem die Hauptpumpzelle 21 die erste Pumpzelle ist, für welche die erste Impedanz gemessen werden soll, und die Messpumpzelle 41 die zweite Pumpzelle ist, für welche die zweite Impedanz gemessen werden soll, jedoch ist der Aufbau nicht darauf beschränkt. Eine der Pumpzellen, die in das Sensorelement 101 einbezogen sind, kann der ersten Pumpzelle entsprechen (der ersten Pumpzelle, bei der die erste innere Elektrode in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist und die zum Pumpen von Sauerstoff ausgebildet ist), und die andere der Pumpzellen kann der zweiten Pumpzelle entsprechen (der zweiten Pumpzelle, bei der die zweite innere Elektrode in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist und die zum Pumpen von Sauerstoff ausgebildet ist). Beispielsweise umfasst das Sensorelement 101 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform drei Pumpzellen: Die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Messpumpzelle 41, so dass eine davon die erste Pumpzelle sein kann und die andere die zweite Pumpzelle sein kann. Beispielsweise kann anstelle der Messpumpzelle 41 die Hilfspumpzelle 50 die zweite Pumpzelle sein. In diesem Fall kann die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b die Impedanz der Hilfspumpzelle 50 als die zweite Impedanz R2 messen und die Steuereinrichtung 96 kann auf der Basis der zweiten Impedanz R2 den Pumpstrom Ip1 oder einen Wert auf der Basis des Pumpstroms Ip1 korrigieren. Beispielsweise kann sich selbst mit der gleichen Zusammensetzung des Messgegenstandsgases während der Ausführung des vorstehend beschriebenen Heizeinrichtungssteuerungsvorgangs, Einstellpumpsteuervorgangs und Messpumpsteuervorgang der Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 fließt, aufgrund einer Änderung der zweiten Impedanz R2 der Hilfspumpzelle 50 ändern. Insbesondere umfasst der Pumpstrom Ip1 den Offset-Strom Ip1Offset, der mit der zweiten Impedanz R2 korrelieren kann. In diesem Fall wird eine Entsprechungsbeziehung zwischen der zweiten Impedanz R2 der Hilfspumpzelle 50 und dem Offset-Strom Ip1Offset im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert. Die Steuereinrichtung 96 leitet dann den Offset-Strom Ip1Offset auf der Basis der zweiten Impedanz R2 der Hilfspumpzelle 50 ab und leitet als den Pumpstrom Ip1 nach der Korrektur den Wert ab, der durch Subtrahieren des Offset-Stroms Ip1Offset von dem Pumpstrom Ip1 erhalten wird. Die Steuereinrichtung 96 führt dann den Hauptpumpsteuervorgang durch Einstellen (Regeln) des Zielwerts V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 nach der Korrektur durch, so dass der Pumpstrom Ip1 nach der Korrektur den Zielwert Ip1* erreicht. Auf diese Weise kann jedweder Vorgang unter Verwendung der Hilfspumpzelle 50, beispielsweise der Hauptpumpsteuervorgang und der Hilfspumpsteuervorgang, mit hoher Genauigkeit durchgeführt werden. Es sollte beachtet werden, dass die Steuereinrichtung 96 den Zielwert V0*, der auf der Basis des Pumpstroms Ip1 abgeleitet wird, anstelle des Korrigierens des Pumpstroms Ip1 korrigieren kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Impedanz der Hauptpumpzelle 21 und der Messpumpzelle 41 gemessen; zusätzlich dazu kann jedoch ferner die Impedanz (dritte Impedanz R3) der Hilfspumpzelle 50 gemessen werden und der Pumpstrom Ip1 kann auf der Basis der dritten Impedanz korrigiert werden oder ein Wert, der von dem Pumpstrom Ip1 auf der Basis der dritten Impedanz abgeleitet wird, kann korrigiert werden. Auf diese Weise können, wenn die Impedanz von jeder von drei oder mehr Pumpzellen, die in das Sensorelement 101 einbezogen sind, gemessen wird, die Messung der ersten Impedanz und der Heizeinrichtungssteuerungsvorgang, die vorstehend beschrieben worden sind, für eine der Pumpzellen durchgeführt werden und eine Messung der Impedanz und der Korrekturvorgang können für jede der Pumpzellen, die von der einen Pumpzelle verschieden ist, durchgeführt werden.
  • Obwohl dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nicht beschrieben ist, ist der Gassensor 100 vorzugsweise so ausgebildet, dass Temperatur Tp > Temperatur Tq > Temperatur Tm, wobei Tp, Tq, Tm die Temperaturen der inneren Pumpelektrode 22, der Hilfspumpelektrode 51 bzw. der Messelektrode 44 in dem Gassensor 100 sind, wenn die Heizeinrichtung 72 mindestens auf eine Temperatur in einem Temperaturbereich von 700 °C oder höher und 900 °C oder niedriger erwärmt wird. Die Menge von Sauerstoff, die aus dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt hinausgepumpt werden soll, ist für die Hauptpumpzelle 21 am größten, für die Hilfspumpzelle 50 am zweitgrößten und für die erste Messpumpzelle 41 relativ kleiner, so dass das Pumpvermögen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 durch Erfüllen der vorstehend genannten Temperaturgrößenbeziehung ausreichend erhöht werden kann. Wenn die Temperaturen einer Mehrzahl von Elektroden, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet sind, derart verschieden gemacht werden, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, ist es bevorzugt, dass die erste Pumpzelle die Pumpzelle (in diesem Fall die Hauptpumpzelle 21) ist, welche die Elektrode umfasst (in diesem Fall die innere Pumpelektrode 22), die auf die höchste Temperatur eingestellt werden soll. Auf diese Weise werden die Messung der ersten Impedanz und der Heizeinrichtungssteuerungsvorgang mit der Pumpzelle durchgeführt, welche die Elektrode umfasst, die auf die höchste Temperatur eingestellt werden soll, so dass die Temperatur auf die Zieltemperatur eingestellt werden kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst der Gassensor 100 getrennt die erste Impedanzmesseinrichtung 47a und die zweite Impedanzmesseinrichtung 47b; eine Impedanzmesseinrichtung kann jedoch beide Funktionen der ersten Impedanzmesseinrichtung 47a und der zweiten Impedanzmesseinrichtung 47b aufweisen. In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform können die Funktionen der Steuervorrichtung 95 auf eine Mehrzahl von Vorrichtungen aufgeteilt sein. Beispielsweise können eine Vorrichtung, die den Heizeinrichtungssteuerungsvorgang durchführt, und eine Vorrichtung, die den Korrekturvorgang durchführt, getrennt bereitgestellt sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 auf; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt und beispielsweise kann die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer ferner einen weiteren inneren Hohlraum umfassen oder einer des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 kann weggelassen werden. Entsprechend weist in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Einstellpumpzelle die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 auf; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt und beispielsweise kann die Einstellpumpzelle eine weitere Pumpzelle umfassen oder eine der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 kann weggelassen werden. Beispielsweise wenn die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas nur durch die Hauptpumpzelle 21 ausreichend vermindert werden kann, kann die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden. Wenn die Hilfspumpzelle 50 weggelassen wird, muss die Steuereinrichtung 96 nur den Hauptpumpsteuervorgang als den Einstellpumpsteuervorgang durchführen. In dem Hauptpumpsteuervorgang kann das vorstehend beschriebene Einstellen des Zielwerts V0* auf der Basis des Pumpstroms Ip1 weggelassen werden. Insbesondere kann ein vorgegebener Zielwert V0* im Vorhinein in dem Speicherabschnitt 98 gespeichert werden und die Steuereinrichtung 96 kann die Hauptpumpzelle 21 durch Durchführen einer Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromversorgung 24 derart, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht, steuern.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann wie bei dem Sensorelement 201 von 6 der dritte innere Hohlraum 61 nicht bereitgestellt sein. In dem Sensorelement 201 gemäß der Modifizierung, die in der 6 gezeigt ist, sind der Gaseinlass 10, der erste Diffusionseinstellabschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13, der erste innere Hohlraum 20, der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 und der zweite innere Hohlraum 40 derart, dass sie miteinander in Verbindung stehen, in dieser Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet. Darüber hinaus ist die Messelektrode 44 in der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten inneren Hohlraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 45 bedeckt. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 ist eine Membran, die aus einem porösen Keramikkörper, wie z.B. Aluminiumoxid (Al2O3), zusammengesetzt ist. Wie der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform spielt der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 eine Rolle bei der Beschränkung der Menge von NOx, das in die Messelektrode 44 strömt. Darüber hinaus wirkt der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 auch als Schutzmembran der Messelektrode 44. Der obere Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist bis unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 ausgebildet. Auch mit dem so ausgebildeten Sensorelement 201 kann eine NOx-Konzentration z.B. auf der Basis eines Pumpstroms Ip2 erfasst werden, wie dies bei der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist. In diesem Fall wirkt die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform spielt die äußere Pumpelektrode 23 eine Rolle als Elektrode (auch als die äußere Hauptpumpelektrode bezeichnet), die mit der inneren Pumpelektrode 22 gepaart werden soll, eine Rolle als Elektrode (auch als die äußere Hilfspumpelektrode bezeichnet), die mit der Hilfspumpelektrode 51 der Hilfspumpzelle 50 gepaart werden soll, und eine Rolle als Elektrode (auch als die äußere Messelektrode bezeichnet), die mit der Messelektrode 44 der Messpumpzelle 41 in der Hauptpumpzelle 21 gepaart werden soll; der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Eine oder mehr der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode kann oder können getrennt von der äußeren Pumpelektrode 23 außerhalb des Elementkörpers derart bereitgestellt werden, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist oder sind.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas; solange jedoch das Sensorelement 101 die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst, ist der Aufbau nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann nicht nur NOx, sondern auch eine andere Oxidkonzentration als die Konzentration eines spezifischen Gases dienen. Wenn das spezifische Gas ein Oxid ist, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die Messpumpzelle 41 die Konzentration eines spezifischen Gases durch Erhalten eines Erfassungswerts (z.B. des Pumpstroms Ip2), der dem Sauerstoff entspricht, erfassen kann. Alternativ kann das spezifische Gas ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, sein. Wenn das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird das spezifische Gas in ein Oxid umgewandelt (beispielsweise wird Ammoniak in NO umgewandelt), wodurch Sauerstoff erzeugt wird, wenn das Gas nach der Umwandlung in dem dritten inneren Hohlraum 61 reduziert wird, so dass die Messpumpzelle 41 die Konzentration eines spezifischen Gases durch Erhalten eines Erfassungswerts (z.B. des Pumpstroms Ip2), der dem Sauerstoff entspricht, erfassen kann. Beispielsweise wirkt die innere Pumpelektrode 22 in dem ersten inneren Hohlraum 20 als Katalysator, wodurch Ammoniak in dem ersten inneren Hohlraum in NO umgewandelt werden kann.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 ein Schichtkörper mit einer Mehrzahl von Festelektrolytschichten (Schichten 1 bis 6), ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann jedoch mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen. Beispielsweise können in der 1 die Schichten 1 bis 5, die von der zweiten Festelektrolytschicht 6 verschieden sind, Schichten sein (z.B. Schichten, die aus Aluminiumoxid zusammengesetzt sind), die aus einem Material zusammengesetzt sind, das von demjenigen von Festelektrolytschichten verschieden ist. In diesem Fall können die Elektroden des Sensorelements 101 in der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Messelektrode 44 in der 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Ferner kann der Referenzgas-Einführungsraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 anstelle der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt sein, die Referenzgas-Einführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 anstatt zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 bereitgestellt sein, und die Referenzelektrode 42 kann rückwärts von dem dritten inneren Hohlraum 61 und auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt sein.
  • In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt (regelt) die Steuereinrichtung 96 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein, dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht, und regelt die Pumpspannung Vp0 derart, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht, kann jedoch eine andere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 96 die Pumpspannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart regeln, dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht. Mit anderen Worten kann die Steuereinrichtung 96 die Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 und das Einstellen des Zielwerts V0* weglassen und kann die Pumpspannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 (und schließlich den Pumpstrom Ip0) direkt steuern.
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2022-169878 , die am 24. Oktober 2022 eingereicht worden ist und deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
  • Gewerbliche Anwendbarkeit
  • Die vorliegende Erfindung ist auf einen Gassensor anwendbar, der die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. dem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • JP 2022091669 A [0003]
    • JP 3340110 B [0003]
    • JP 2022169878 [0089]

Claims (4)

  1. Gassensor, der eine Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, die eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas ist, wobei der Gassensor umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt; eine erste Pumpzelle, die eine erste innere Elektrode umfasst, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die erste Pumpzelle zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist; eine zweite Pumpzelle, die eine zweite innere Elektrode umfasst, die in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei die zweite Pumpzelle zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist; eine Heizeinrichtung, die zum Erwärmen des Elementkörpers ausgebildet ist; eine erste Impedanzmesseinrichtung, die zum Messen einer ersten Impedanz durch Anlegen einer Spannung an die erste innere Elektrode ausgebildet ist; eine zweite Impedanzmesseinrichtung, die zum Messen einer zweiten Impedanz durch Anlegen einer Spannung an die zweite innere Elektrode ausgebildet ist; und eine Steuervorrichtung, die zum Durchführen eines Heizeinrichtungssteuerungsvorgangs des Steuerns der Heizeinrichtung derart, dass die erste Impedanz einen Zielwert erreicht, und eines Korrekturvorgangs des Korrigierens, auf der Basis der zweiten Impedanz, eines zweiten Pumpstroms, der durch die zweite Pumpzelle fließt, oder eines Werts, der auf der Basis des zweiten Pumpstroms abgeleitet ist, ausgebildet ist.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, ferner umfassend: eine Referenzelektrode, die derart innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist, dass sie mit einem Referenzgas in Kontakt kommt, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient; und eine Einstellpumpzelle, welche die erste Pumpzelle umfasst, wobei die Einstellpumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts ausgebildet ist, wobei die erste innere Elektrode in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer angeordnet ist, die zweite innere Elektrode eine innere Messelektrode ist, die in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts von der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist, die zweite Pumpzelle eine Messpumpzelle ist, die Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, aus der Messkammer hinauspumpt, die Steuervorrichtung einen Einstellpumpsteuervorgang des Steuerns der Einstellpumpzelle derart, dass die Sauerstoffkonzentration in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer eine Zielkonzentration erreicht, einen Sauerstoffkonzentration-Erfassungsvorgang des Erfassens einer Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines ersten Pumpstroms, bei dem das Fließen durch die erste Pumpzelle durch den Einstellpumpsteuervorgang bewirkt wird, einen Messpumpsteuervorgang des Regelns einer Steuerspannung, die an die Messpumpzelle angelegt werden soll, derart, dass eine Spannung über die Referenzelektrode und die innere Messelektrode einen Zielwert erreicht, und einen Erfassungsvorgang der Konzentration eines spezifischen Gases des Erfassens der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Messpumpstroms durchführt, welcher der zweite Pumpstrom ist, bei dem durch den Messpumpsteuervorgang bewirkt wird, dass er durch die Messpumpzelle fließt, und in dem Korrekturvorgang die Steuervorrichtung auf der Basis der zweiten Impedanz den Messpumpstrom in dem Erfassungsvorgang der Konzentration eines spezifischen Gases oder die Konzentration eines spezifischen Gases korrigiert.
  3. Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer einen ersten inneren Hohlraum, in dem die erste innere Elektrode angeordnet ist, und einen zweiten inneren Hohlraum umfasst, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum angeordnet ist und stromaufwärts von der Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, die Einstellpumpzelle eine Hauptpumpzelle, welche die erste Pumpzelle ist, und eine Hilfspumpzelle umfasst, die eine Hilfspumpelektrode aufweist, die in dem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist und zum Durchführen eines Pumpens von Sauerstoff ausgebildet ist, und der Einstellpumpsteuervorgang einen Hauptpumpsteuervorgang des Steuerns der Hauptpumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum und einen Hilfspumpsteuervorgang des Steuerns der Hilfspumpzelle zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum umfasst.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die erste Impedanzmesseinrichtung die erste Impedanz durch Anlegen der Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die erste innere Elektrode misst und die zweite Impedanzmesseinrichtung die zweite Impedanz durch Anlegen der Spannung mit einer Frequenz von 1 kHz oder höher an die zweite innere Elektrode misst.
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