DE112019003230T5 - Gassensor - Google Patents

Abstract

In einem Gassensor 100 wird eine Sauerstoffpumpsteuerung zum Pumpen von Sauerstoff von der Umgebung einer außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung einer Referenzelektrode 42 durchgeführt. Darüber hinaus wird während der Ausführung der Sauerstoffpumpsteuerung ein Pumpstrom Ip2 gemessen, wenn Sauerstoff, der von NOx stammt, von der Umgebung einer Messelektrode 44 hinausgepumpt wird, so dass eine Spannung V2 über der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 eine Zielspannung V2* erreicht. Dann wird die NOx-Konzentration eines Messgegenstandsgases auf der Basis des Pumpstroms Ip2 berechnet. In dem Gassensor 100 wird die NOx-Konzentration auf der Basis einer Restspannung DVref korrigiert, welche die Differenz zwischen einer ersten Basisspannung Vref1 und einer zweiten Basisspannung Vref2 ist, wobei die erste Basisspannung Vref1 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird, wobei die zweite Basisspannung Vref2 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird.

Description

• Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor.
• Stand der Technik
• Es ist ein Gassensor bekannt, der eine Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas von Kraftfahrzeugen, erfasst. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, umfassend: einen laminierten Körper, in dem eine Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten laminiert ist; eine Referenzelektrode, die innerhalb des laminierten Körpers bereitgestellt ist und in die ein Referenzgas (z.B. Luft) eingeführt wird; eine Messelektrode, die in einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt innerhalb des laminierten Körpers bereitgestellt ist; und eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des laminierten Körpers bereitgestellt ist, wobei der Abschnitt dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist. Der Gassensor misst einen Strom, wenn Sauerstoff, der von einem spezifischen Gas stammt, aus der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass eine Spannung über der Referenzelektrode und der Messelektrode eine Zielspannung erreicht, und berechnet die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Stroms. Darüber hinaus bewirkt der Gassensor das Fließen eines Stroms (Sauerstoffpumpstrom) zwischen der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode zum Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode. Wenn die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases in der Umgebung der Referenzelektrode vorübergehend vermindert wird, kann die Verminderung der Sauerstoffkonzentration durch Pumpen von Sauerstoff in die Umgebung der Referenzelektrode auf diese Weise kompensiert werden, und eine Verschlechterung der Genauigkeit der Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Gases wird vermindert.
• Dokumentenliste
• Patentdokument
• PTL 1: Japanische ungeprüfte Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer 2015-200643
• Zusammenfassung der Erfindung
• Technisches Problem
• Wenn Sauerstoff in der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode gepumpt wird, kann jedoch die Genauigkeit der Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas vermindert werden. Die Verminderung der Genauigkeit der Erfassung ist merklich, wenn die Referenzelektrode im Zeitverlauf abgebaut wird bzw. sich verschlechtert und der Widerstand der Referenzelektrode erhöht wird.
• Die vorliegende Erfindung wurde gemacht, um das vorstehend beschriebene Problem zu lösen, und die Hauptaufgabe ist die Verbesserung der Genauigkeit der Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas.
• Lösung des Problems
• Die vorliegende Erfindung nutzt die folgende Vorrichtung zum Lösen der vorstehend genannten Hauptaufgabe.
• Ein Gassensor der vorliegenden Erfindung umfasst:
• einen laminierten Körper, der eine Mehrzahl von laminierten Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten aufweist und im Inneren bzw. einwärts mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einführt und ermöglicht, dass dieses strömt;
• eine Referenzelektrode, die im Inneren bzw. einwärts von dem laminierten Körper angeordnet ist und zu der ein Referenzgas eingeführt wird, wobei das Referenzgas als Referenz zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient;
• eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche einer Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist;
• eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des laminierten Körpers bereitgestellt ist, wobei der Abschnitt dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist;
• eine Steuervorrichtung, die eine Sauerstoffpumpsteuerung zum Pumpen von Sauerstoff von der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode durchführt; und
• eine Berechnungsvorrichtung, die während der Ausführung der Sauerstoffpumpsteuerung einen Pumpstrom zur Konzentrationserfassung misst, wenn Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, von der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass eine Spannung über der Referenzelektrode und der Messelektrode eine Zielspannung erreicht, und die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung berechnet,
• wobei die Berechnungsvorrichtung die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis einer Differenz zwischen einer ersten Basisspannung und einer zweiten Basisspannung korrigiert, wobei die erste Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird, wobei die zweite Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird.
• Der Gassensor führt eine Sauerstoffpumpsteuerung zum Pumpen von Sauerstoff von der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode durch. Beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas in die Umgebung der Referenzelektrode eintritt, wird die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases vermindert. Die Verminderung der Sauerstoffkonzentration kann durch Durchführen einer Sauerstoffpumpsteuerung verhindert werden. Ferner misst der Gassensor während der Ausführung der Sauerstoffpumpsteuerung einen Pumpstrom zur Konzentrationserfassung, wenn Sauerstoff, der von einem spezifischen Gas stammt, von der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass die Spannung über der Referenzelektrode und der Messelektrode eine Zielspannung erreicht, und berechnet die Konzentration eines spezifischen Gases des Messgegenstandsgases auf der Basis des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung. Die Spannung über der Referenzelektrode und der Messelektrode umfasst einen Spannungsabfall zusätzlich zu einer elektromotorischen Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Messelektrode und der Umgebung der Referenzelektrode, wobei der Spannungsabfall durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode mit dem Strom, der durch die Referenzelektrode zur Zeit der Sauerstoffpumpsteuerung fließt, erhalten wird. Der Spannungsabfall ist wahrscheinlich gleich der Differenz zwischen einer ersten Basisspannung und einer zweiten Basisspannung, wobei die erste Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird, wobei die zweite Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird. Dabei wird die Konzentration eines spezifischen Gases des Messgegenstandsgases auf der Basis der Differenz korrigiert, wodurch es möglich ist, eine Verminderung der Genauigkeit der Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases aufgrund eines Abbaus bzw. einer Verschlechterung im Zeitverlauf zu verhindern.
• In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung führt die Sauerstoffpumpsteuervorrichtung die Sauerstoffpumpsteuerung durch Anlegen einer Spannung, die wiederholt EIN und AUS geschaltet wird, über der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode und der Referenzelektrode durch, und die Berechnungsvorrichtung kann den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung und die zweite Basisspannung während eines Zeitraums messen, in dem die wiederholt EIN und AUS geschaltete Spannung in der Sauerstoffpumpsteuerung AUS ist. Auf diese Weise kann der Effekt der Spannung, die für die Sauerstoffpumpsteuerung bei der Messung des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung verwendet wird, vermindert werden. In diesem Fall kann die Berechnungsvorrichtung den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung und die zweite Basisspannung zu einem Zeitpunkt in einem Zeitraum messen, in dem die wiederholt EIN und AUS geschaltete Spannung in der Sauerstoffpumpsteuerung AUS ist, wobei der Zeitpunkt unmittelbar vor dem nächsten Einstellen der Spannung auf EIN liegt. Auf diese Weise kann der Effekt der Spannung, die für die Sauerstoffpumpsteuerung bei der Messung des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung verwendet wird, weiter vermindert werden.
• In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann beim Messen des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung die Berechnungsvorrichtung die Zielspannung, die vorangehend verwendet worden ist, auf der Basis des Differenzausmaßes zwischen der gegenwärtigen Differenz der ersten Basisspannung und der zweiten Basisspannung und einer vorangegangen Differenz der ersten Basisspannung und der zweiten Basisspannung korrigieren, und kann den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung messen, wenn Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, von der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass die Zielspannung nach dem Korrigieren erhalten wird. Das Differenzausmaß ist wahrscheinlich die Differenz zwischen dem gegenwärtigen Spannungsabfall und dem vorangegangenen Spannungsabfall. Mit anderen Worten, es kann davon ausgegangen werden, dass das Differenzausmaß eine Spannung ist, die das Ausmaß der Widerstandsänderung wiederspiegelt, wenn die Referenzelektrode im Zeitverlauf von der Vergangenheit bis zur Gegenwart abgebaut wird bzw. sich verschlechtert und sich der Widerstand der Referenzelektrode ändert. Folglich kann die Zielspannung in einer geeigneten Weise durch Korrigieren der Zielspannung auf der Basis des Differenzausmaßes in einer geeigneten Weise eingestellt werden. Es sollte beachtet werden, dass „vorangegangen“ bzw. in der „Vergangenheit“ eine vorangegangene Zeit oder das erste Mal sein kann.
• In dem Gassensor der vorliegenden Erfindung kann die Berechnungsvorrichtung ferner die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Änderungsausmaßes der thermoelektromotorischen Kraft im Zeitverlauf korrigieren. Auf diese Weise kann eine Verminderung der Genauigkeit der Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases im Zeitverlauf verhindert werden.
• Figurenliste
• 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
• 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt.
• 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Steuervorrichtung 90 zeigt.
• 4 ist ein erläuternder Graph, der ein Beispiel für eine Änderung einer Spannung Vp3 im Zeitverlauf zeigt.
• 5 ist ein erläuternder Graph, der ein Beispiel für eine Änderung einer Spannung Vref im Zeitverlauf zeigt.
• 6 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung zeigt.
• 7 ist eine schematische Querschnittsansicht, welche die Struktur der Umgebung einer Lufteinführungsschicht 248 zeigt.
• 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 201 in einer Modifizierung.
• 9 ist ein Flussdiagramm, das ein weiteres Beispiel der Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung zeigt.
• Beschreibung von Ausführungsformen
• Als nächstes wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine vertikale Querschnittsansicht eines Gassensors 100, der eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist. Die 2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel eines Aufbaus eines Sensorelements 101 zeigt, das in den Gassensor 100 einbezogen ist. Die 3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Steuervorrichtung 90 zeigt. Es sollte beachtet werden, dass das Sensorelement 101 eine längliche rechteckige Parallelepipedform aufweist, wobei die Längsrichtung (die Rechts-links-Richtung von 2) des Sensorelements 101 die Vorne-hinten-Richtung ist und die Tiefenrichtung (die Oben-unten-Richtung von 2) des Sensorelements 101 die Oben-unten-Richtung ist. Ferner ist die Breitenrichtung (die Richtung senkrecht zu der Vorne-hinten-Richtung und der Oben-unten-Richtung) die Rechts-links-Richtung. Die Struktur des Gassensors, wie er in der 1 gezeigt ist, ist bekannt und ist z.B. in WO 2013/005491 beschrieben.
• Wie es in der 1 gezeigt ist, umfasst der Gassensor 100 das Sensorelement 101, eine Schutzabdeckung 130, welche die vordere Endseite des Sensorelements 101 schützt, einen Sensoranordnungskörper 140, der einen Verbinder 150 umfasst, der elektrisch mit dem Sensorelement 101 verbunden ist, und eine Steuervorrichtung 90 (vgl. die 3). Wie es gezeigt ist, ist der Gassensor 100 z.B. an einer Leitung 190, wie z.B. einer Abgasleitung eines Fahrzeugs, montiert und wird zum Messen der Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, NH₄ oder O₂, verwendet, das in einem Abgas enthalten ist, das als Messgegenstandsgas bereitgestellt wird. In der vorliegenden Ausführungsform dient der Gassensor 100 zum Messen einer NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases.
• Die Schutzabdeckung 130 umfasst eine mit einem Boden versehene zylindrische innenseitige Schutzabdeckung 131, die das vordere Ende des Sensorelements 101 bedeckt, und eine mit einem Boden versehene zylindrische außenseitige Schutzabdeckung 132, welche die innenseitige Schutzabdeckung 131 bedeckt. In der innenseitigen Schutzabdeckung 131 und der außenseitigen Schutzabdeckung 132 ist eine Mehrzahl von Löchern ausgebildet, so dass ein Messgegenstandsgas in die Schutzabdeckung 130 strömen kann. Eine Sensorelementkammer 133 ist als Raum ausgebildet, der durch die innenseitige Schutzabdeckung 131 umgeben ist, und das vordere Ende des Sensorelements 101 ist in der Sensorelementkammer 133 angeordnet.
• Der Sensoranordnungskörper 140 umfasst einen Elementabdichtungskörper 141, der das Sensorelement 101 abdichtet und fixiert, eine Mutter 147 und ein Außenrohr 148, die an dem Elementabdichtungskörper 141 montiert sind, und einen Verbinder 150, der mit Verbinderelektroden in Kontakt und elektrisch mit diesen verbunden ist (nur der später beschriebene Heizeinrichtung-Verbinder 71 ist in der 2 gezeigt), wobei die Verbinderelektroden auf der Oberfläche (Oben-unten-Oberfläche) des hinteren Endes des Sensorelements 101 ausgebildet und nicht gezeigt sind.
• Der Elementabdichtungskörper 141 umfasst ein röhrenförmiges Hauptmetallformteil 142, ein röhrenförmiges Innenrohr 143, das koaxial an das Hauptmetallformteil 142 geschweißt und an diesem angebracht ist, Keramikhalter 144a bis 144c, Grünpresskörper 145a, 145b und einen Metallring 146, die in Durchgangslöchern einwärts von dem Hauptmetallformteil 142 und dem Innenrohr 143 eingekapselt sind. Das Sensorelement 101 befindet sich auf der Mittelachse des Elementabdichtungskörpers 141 und durchdringt den Elementabdichtungskörper 141 in der Vorne-hinten-Richtung. In dem Innenrohr 143 sind ein Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143a zum Pressen des Grünpresskörpers 145b in der zentralen axialen Richtung des Innenrohrs 143 und ein Abschnitt mit vermindertem Durchmesser 143b zum Vorwärtspressen der Keramikhalter 144a bis 144c und der Grünpresskörper 145a, 145b mittels des Metallrings 146 ausgebildet. Die Grünpresskörper 145a, 145b werden zwischen dem Hauptmetallformteil 142, dem Innenrohr 143 und dem Sensorelement 101 durch eine Druckkraft von den Abschnitten mit vermindertem Durchmesser 143a, 143b zusammengedrückt, so dass die Grünpresskörper 145a, 145b zwischen der Sensorelementkammer 133 innerhalb der Schutzabdeckung 130 und dem Raum 149 innerhalb des Außenrohrs 148 eingekapselt werden und das Sensorelement 101 fixieren.
• Die Mutter 147 ist koaxial an dem Hauptmetallformteil 142 angebracht und ein Außengewindeabschnitt ist auf der Außenumfangsoberfläche ausgebildet. Der Außengewindeabschnitt der Mutter 147 ist in das Befestigungselement 191 eingesetzt, das an die Leitung 190 geschweißt ist und einen Innengewindeabschnitt auf der Innenumfangsoberfläche umfasst. Folglich ist der Gassensor 100 an der Leitung 190 angebracht, wobei das vordere Ende des Sensorelements 101 und der Schutzabdeckung 130 des Gassensors 100 in die Leitung 190 vorragen.
• Das Außenrohr 148 bedeckt die Umgebung des Innenrohrs 143, des Sensorelements 101 und des Verbinders 150, und eine Mehrzahl von Anschlussdrähten, die mit dem Verbinder 150 verbunden sind, ist von dem hinteren Ende nach außen geführt. Die Anschlussdrähte 155 sind elektrisch mit den Elektroden (später beschrieben) des Sensorelements 101 mittels des Verbinders 150 verbunden. Der Spalt zwischen dem Außenrohr 148 und den Anschlussdrähten 155 ist mit einem Kautschukstopfen 157 versiegelt. Der Raum 149 innerhalb des Außenrohrs 148 ist mit einem Referenzgas (in der vorliegenden Ausführungsform Luft) gefüllt. Das hintere Ende des Sensorelements 101 ist in dem Raum 149 angeordnet.
• Wie es in der 2 gezeigt ist, ist das Sensorelement 101 ein Element mit einem laminierten Körper, in dem sechs Schichten, und zwar eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, in dieser Reihenfolge in der Zeichnungsansicht von der unteren Seite laminiert sind, wobei die Schichten jeweils eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht, wie z.B. Zirkoniumoxid (ZrO₂), sind. Ferner ist der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, extrem luftdicht. Ein solches Sensorelement 101 wird z.B. durch Durchführen einer vorgegebenen Verarbeitung und Drucken einer Schaltkreisstruktur auf jeder von Keramikgrünlagen, die den Schichten entsprechen, schichtartiges Anordnen der Lagen und ferner Brennen und Integrieren der Lagen hergestellt.
• An einem vorderen Ende (der linken Seite von 2) des Sensorelements 101 sind zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 eine Gaseinführungsöffnung 10, ein erster Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, ein erster Innenraum 20, ein dritter Diffusionsrateneinstellabschnitt 30, ein zweiter Innenraum 40, ein vierter Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und ein dritter Innenraum 61 (Messkammer) in einer Weise, die eine Verbindung miteinander ermöglicht, in dieser Reihenfolge angrenzend ausgebildet.
• Die Gaseinführungsöffnung 10, der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20, der zweite Innenraum 40 und der dritte Innenraum 61 sind ein Innenraum des Sensorelements 101, wobei der Innenraum in einer Weise bereitgestellt ist, bei der die Abstandshalterschicht 5 eine Bohrung aufweist, und wobei der Oberteil, der Unterteil und der Seitenteil durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6, die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bzw. die Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 abgegrenzt ist.
• Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 sind jeweils als zwei horizontale lange Schlitze bereitgestellt (deren Öffnung weist eine Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur 2 auf). Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist als ein horizontaler langer Schlitz bereitgestellt (dessen Öffnung weist eine Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur 2 auf), der als Spalt mit der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass der Abschnitt von der Gaseinführungsöffnung 10 zu dem dritten Innenraum 61 auch als der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet wird.
• Eine Lufteinführungsschicht 48 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt. Die Lufteinführungsschicht 48 ist ein poröser Körper, der eine Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid, umfasst. Die Lufteinführungsschicht 48 weist einen Einlassabschnitt 48c an der hinteren Endfläche auf und der Einlassabschnitt 48c liegt zu der hinteren Endfläche des Sensorelements 101 frei. Der Einlassabschnitt 48c liegt zu dem Raum 149 von 1 frei (vgl. die 1). Ein Referenzgas zur Messung der NOx-Konzentration wird in die Lufteinführungsschicht 48 durch den Einlassabschnitt 48c eingeführt. Das Referenzgas ist in der vorliegenden Ausführungsform Luft (die Atmosphäre in dem Raum 149 von 1). Ferner ist die Lufteinführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie die Referenzelektrode 42 bedeckt. Die Lufteinführungsschicht 48 stellt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand für das Referenzgas bereit, das durch den Einlassabschnitt 48c eingeführt wird, und führt das Referenzgas zu der Referenzelektrode 42 ein.
• Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die in einer Weise ausgebildet ist, so dass sie zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist, und wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Umgebung der Elektrode mit der Lufteinführungsschicht 48 ausgestattet. Die Referenzelektrode 42 ist direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet und alles mit Ausnahme des Abschnitts der Referenzelektrode 42, der mit der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 in Kontakt ist, ist durch die Lufteinführungsschicht 48 bedeckt. Wie es ebenfalls später beschrieben ist, kann die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in jedem des ersten Innenraums 20, des zweiten Innenraums 40 und des dritten Innenraums 61 unter Verwendung der Referenzelektrode 42 gemessen werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode, die aus Pt und ZrO₂ zusammengesetzt ist) ausgebildet. Ohne speziell darauf beschränkt zu sein, weist die Referenzelektrode 42 eine Länge von z.B. 0,2 bis 2 mm in der Vorne-hinten-Richtung, eine Breite von z.B. 0,2 bis 2,5 mm in der Rechts-links-Richtung und eine Dicke von z.B. 5 bis 30 mm auf.
• In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist die Gaseinführungsöffnung 10 ein Teil, der zu dem Außenraum geöffnet ist, und ein Messgegenstandsgas kann in das Sensorelement 101 von dem Außenraum durch die Gaseinführungsöffnung 10 aufgenommen werden. Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das durch die Gaseinführungsöffnung 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Einführen des Messgegenstandsgases, das durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 eingeführt worden ist, zu dem zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 ist ein Abschnitt, der auf das Messgegenstandsgas, das von dem Pufferraum 12 zu dem ersten Innenraum 20 eingeführt wird, einen vorgegebenen Diffusionswiderstand ausübt. Wenn das Messgegenstandsgas von der Außenseite des Sensorelements 101 in den ersten Innenraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das durch die Druckvariation (Pulsieren des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) des Messgegenstandsgases in dem Außenraum durch die Gaseinführungsöffnung 10 schnell in das Innere des Sensorelements 101 eingeführt wird, nicht direkt in den ersten Innenraum 20 eingeführt, sondern eine Konzentrationsvariation des Messgegenstandsgas wird durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 aufgehoben und dann wird das Messgegenstandsgas in den ersten Innenraum 20 eingeführt. Folglich ist die Konzentrationsvariation des Messgegenstandsgases, das in den ersten Innenraum 20 eingeführt wird, nahezu vernachlässigbar. Der erste Innenraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 eingeführt wird. Ein solcher Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
• Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle und umfasst eine innenseitige Pumpelektrode 22, die einen oberen Elektrodenabschnitt 22a aufweist, der auf im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten Innenraum 20 gerichtet ist; eine außenseitige Pumpelektrode 23, die in einer Weise bereitgestellt ist, die ein Freiliegen zu dem Außenraum (der Sensorelementkammer 133 von 1) in einem Bereich, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a entspricht, der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ermöglicht; und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist.
• Die innenseitige Pumpelektrode 22 ist auf der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten Innenraum 20 abgrenzen, und der Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwand bereitstellt, ausgebildet. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a in der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des ersten Innenraums 20 bereitstellt, ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist direkt in der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche bereitstellt, ein seitlicher Elektrodenabschnitt (nicht gezeigt) ist in der Seitenwandoberfläche (Innenoberfläche) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten Innenraums 20 derart bildet, dass der obere Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b verbunden sind, und diese Abschnitte sind in einer Struktur als Tunnelform an der Anordnungsposition der seitlichen Elektrodenabschnitte angeordnet.
• Die innenseitige Pumpelektrode 22 und die außenseitige Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode, die aus Pt, das 1 % Au enthält, und ZrO₂ zusammengesetzt ist) ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass die innenseitige Pumpelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist, unter Verwendung eines Materials ausgebildet ist, das ein abgeschwächtes Reduktionsvermögen in Bezug auf den NOx-Gehalt in dem Messgegenstandsgas aufweist.
• In der Hauptpumpzelle 21 wird eine gewünschte Pumpspannung Vp0 zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 22 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 angelegt, so dass bewirkt wird, dass ein Pumpstrom Ip0 in der positiven Richtung oder der negativen Richtung zwischen der innenseitigen Pumpelektrode 22 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 fließt, wodurch der Sauerstoff in dem ersten Innenraum 20 zu dem Außenraum hinausgezogen werden kann oder der Sauerstoff in dem Außenraum in den ersten Innenraum 20 hineingezogen werden kann.
• Ferner ist zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in der Atmosphäre in dem ersten Innenraum 20 eine elektrochemische Sensorzelle, insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung, bereitgestellt, welche die innenseitige Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die Referenzelektrode 42 umfasst.
• Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten Innenraum 20 wird durch Messen einer Spannung V0 in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung ermittelt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch Durchführen einer Regelung der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromversorgung 25, so dass die Spannung V0 konstant ist, gesteuert. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten Innenraum 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
• Der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 ist ein Abschnitt, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, bei dem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 in dem ersten Innenraum 20 gesteuert wird, und das Messgegenstandsgas in den zweiten Innenraum 40 einführt.
• Der zweite Innenraum 40 ist als Raum zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks eines Messgegenstandsgases durch eine Hilfspumpzelle 50 ausgebildet, wobei das Gas durch den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 eingeführt worden ist, nachdem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem ersten Innenraum 20 eingestellt wurde. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden, wodurch die NOx-Konzentration durch den Gassensor 100 mit einer hohen Genauigkeit gemessen werden kann.
• Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, welche eine 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 Innenraum 40 gerichtet ist; die außenseitige Pumpelektrode 23 (nicht auf die außenseitige Pumpelektrode 23 beschränkt, wobei vielmehr eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 ausreicht); und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst.
• Eine solche Hilfspumpelektrode 51 ist in dem zweiten Innenraum 40 in einer Struktur als Tunnel angeordnet, die ähnlich wie diejenige der innenseitigen Pumpelektrode 22 ausgebildet ist, die in dem früher genannten ersten Innenraum 20 bereitgestellt ist. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 51a für die zweite Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des zweiten Innenraums 40 bildet, ein unterer Elektrodenabschnitt 51b ist direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des zweiten Innenraums 40 bereitstellt, und ein seitlicher Elektrodenabschnitt (nicht gezeigt), der den oberen Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51b verbindet, ist auf jeder von beiden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, welche die Seitenwand des zweiten Innenraums 40 bildet, und weist eine Struktur einer Tunnelform auf. Es sollte beachtet werden, dass ähnlich wie bei der innenseitigen Pumpelektrode 22 die Hilfspumpelektrode 51 ebenfalls unter Verwendung eines Materials mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf den NOx-Gehalt in dem Messgegenstandsgas ausgebildet ist.
• In der Hilfspumpzelle 50 kann durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 über der Hilfspumpelektrode 51 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 Sauerstoff in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 zu dem Außenraum hinausgezogen werden oder der Sauerstoff in dem Außenraum in den zweiten Innenraum 40 hineingezogen werden.
• Darüber hinaus ist zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 eine elektrochemische Sensorzelle, insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 zur Hilfspumpsteuerung, bereitgestellt, welche die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst.
• Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpzelle 50 ein Pumpen mit einer variablen Stromversorgung 52 durchführt, für welche die Spannung auf der Basis einer Spannung V1 gesteuert bzw. eingestellt wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 zur Hilfspumpsteuerung erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten Innenraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist.
• Einhergehend damit wird ein Pumpstrom Ip1 zum Steuern der Spannung V0 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung als Steuersignal eingespeist und die Spannung V0 wird so gesteuert, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks des Messgegenstandsgases, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeführt wird, stets auf ein konstantes Niveau eingestellt ist. Wenn die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung als NOx-Sensor verwendet wird, wird die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten Innenraum 40 durch die Funktion der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
• Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist ein Abschnitt, der auf das Messgegenstandsgas, bei dem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 in dem zweiten Innenraum 40 gesteuert bzw. eingestellt wird, einen vorgegebenen Diffusionswiderstand ausübt, und das Messgegenstandsgas in den dritten Innenraum 61 einführt. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 weist eine Funktion des Beschränkens der Menge von NOx auf, das in den dritten Innenraum 61 strömt.
• Der dritte Innenraum 61 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung betreffend die Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in einem Messgegenstandsgas ausgebildet, wobei das Gas durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 eingeführt worden ist, nachdem die Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem zweiten Innenraum 40 eingestellt wurde. Die Messung der NOx-Konzentration wird durch den Betrieb einer Pumpzelle 41 zur Messung vorwiegend in dem dritten Innenraum 61 durchgeführt.
• Die Pumpzelle 41 zur Messung misst die NOx-Konzentration in einem Messgegenstandsgas in dem dritten Innenraum 61. Die Pumpzelle 41 zur Messung ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine Messelektrode 44, die direkt auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den dritten Innenraum 61 gerichtet ist, die außenseitige Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-reduzierender Katalysator, der NOx reduziert, das in der Atmosphäre in dem dritten Innenraum 61 vorliegt.
• Die Pumpzelle 41 zur Messung kann Sauerstoff, der durch eine Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt worden ist, abziehen und kann das Ausmaß der Erzeugung als Pumpstrom (Pumpstrom zur Konzentrationserfassung) Ip2 erfassen.
• Ferner ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks in der Umgebung der Messelektrode 44 eine elektrochemische Sensorzelle, insbesondere eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 zur Messpumpsteuerung, bereitgestellt, welche die erste Festelektrolytschicht 4, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 umfasst. Eine variable Stromversorgung 46 wird auf der Basis einer Spannung V2 gesteuert, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird.
• Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten Innenraum 40 eingeführt wird, erreicht die Messelektrode 44 des dritten Innenraums 61 durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in einer Situation, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt bzw. gesteuert ist. Das Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der Messelektrode 44 wird reduziert (2NO → N₂ + O₂) und Sauerstoff wird erzeugt. Der erzeugte Sauerstoff wird durch die Pumpzelle 41 zur Messung gepumpt und zu diesem Zeitpunkt wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 so eingestellt bzw. gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird, auf einem konstanten Niveau gehalten wird. Die Menge des Sauerstoffs, der in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, ist proportional zu der Konzentration des Stickstoffoxids in dem Messgegenstandsgas, so dass die Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Pumpzelle 41 zur Messung berechnet wird.
• Ferner umfasst eine elektrochemische Vref-Erfassungssensorzelle 83 die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann durch eine Spannung Vref erfasst werden, die durch die Vref-Erfassungssensorzelle 83 erhalten wird.
• Darüber hinaus umfasst eine elektrochemische Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die außenseitige Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 führt ein Pumpen durch Leiten eines Sauerstoffpumpstroms Ip3 durch, der durch eine Spannung Vp3 verursacht wird, die durch einen Stromversorgungsschaltkreis angelegt wird, der zwischen der außenseitigen Pumpelektrode 23 und der Referenzelektrode 42 angeschlossen ist. Folglich pumpt die Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 Sauerstoff von dem Raum (der Sensorelementkammer 133 von 1) in die Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 zu der Umgebung der Referenzelektrode 42.
• In dem Gassensor 100, der einen solchen Aufbau aufweist, wird ein Messgegenstandsgas mit einem Sauerstoffpartialdruck, der durch Betreiben der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 stets bei einem konstanten niedrigen Wert (einem Wert, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist) gehalten wird, für die Pumpzelle 41 zur Messung bereitgestellt. Folglich kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 ermittelt werden, der durch Hinauspumpen von Sauerstoff mit der Pumpzelle 41 zur Messung fließt, wobei der Sauerstoff im Wesentlichen proportional zu der Konzentration des NOx in dem Messgegenstandsgas ist und durch Reduktion des NOx erzeugt wird.
• Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 101 eine Heizeinrichtungseinheit 70, die eine Funktion einer Temperatureinstellung durch Erwärmen des Sensorelements 101 und eines Haltens der Temperatur zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten aufweist. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtung-Isolierschicht 74, ein Druckablassloch 75 und einen Anschlussdraht 76.
• Die Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die in einer Weise ausgebildet ist, dass sie eine Verbindung mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ermöglicht. Der Heizeinrichtungseinheit 70 kann elektrischer Strom von außen durch Verbinden der Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 71 mit einer externen Stromversorgung zugeführt werden.
• Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der in einer Weise ausgebildet ist, dass er vertikal zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 71 mittels des Anschlussdrahts 76 und des Durchgangslochs 73 verbunden, wird durch Zuführen von elektrischer Leistung bzw. elektrischem Strom von außen durch die Heizeinrichtung-Verbinderelektrode 71 erwärmt und führt ein Erwärmen und ein Aufrechterhalten der Temperatur des Festelektrolyten durch, der das Sensorelement 101 bildet.
• Ferner ist die Heizeinrichtung 72 in dem gesamten Bereich von dem ersten Innenraum 20 zu dem dritten Innenraum 61 eingebettet und kann das gesamte Sensorelement 101 auf eine Temperatur einstellen, die bewirkt, dass der Festelektrolyt aktiviert wird.
• Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist, wobei die Isolierschicht poröses Aluminiumoxid umfasst, das aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, zusammengesetzt ist. Die Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 ist zum Zweck des Erhaltens einer elektrischen Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und einer elektrischen Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 ausgebildet.
• Das Druckablassloch 75 ist ein Abschnitt, der so bereitgestellt ist, dass er die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48 durchdringt, und ist zum Zweck des Verminderns der Zunahme eines Innendrucks einhergehend mit einem Temperaturanstieg in der Heizeinrichtung-Isolierschicht 74 ausgebildet.
• Es sollte beachtet werden, dass die variablen Stromversorgungen 25, 46, 52, die in der 2 gezeigt sind, in der Praxis mit Elektroden über Anschlussdrähte (nicht gezeigt), die in dem Sensorelement 101 und dem Verbinder 150 ausgebildet sind, und die Anschlussdrähte 155 von 1 verbunden sind.
• Wie es in der 3 gezeigt ist, ist die Steuervorrichtung 90 ein bekannter Mikroprozessor, der eine CPU 92 und einen Speicher 94 umfasst. Die Steuervorrichtung 90 erhält ein Eingangssignal der Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung erfasst wird, der Spannung V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 zur Hilfspumpsteuerung erfasst wird, der Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 zur Messpumpsteuerung erfasst wird, der Spannung Vref, die durch die Vref-Erfassungssensorzelle 83 erfasst wird, des Stroms Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, des Stroms Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird, und des Pumpstroms Ip2, der durch die Pumpzelle 41 zur Messung erfasst wird. Darüber hinaus gibt die Steuervorrichtung 90 ein Steuersignal zu der variablen Stromversorgung 25 der Hauptpumpzelle 21, der variablen Stromversorgung 52 der Hilfspumpzelle 50 und der variablen Stromversorgung 46 der Pumpzelle 41 zur Messung aus. Ferner führt die Steuervorrichtung 90 eine Steuerung derart durch, dass eine Pulsspannung von einem Stromversorgungsschaltkreis, der nicht gezeigt ist, zu der Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 ausgegeben wird.
• Die Steuervorrichtung 90 führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromversorgung 25 derart durch, dass die Spannung V0 eine Zielspannung V0* erreicht. Folglich wird der Pumpstrom Ip0 gemäß der Konzentration des Sauerstoffs, der in dem Messgegenstandsgas enthalten ist, schließlich des Luft-Kraftstoff-Verhältnisses (A/F) des Messgegenstandsgases, verändert. Daher kann die Steuervorrichtung 90 die Sauerstoffkonzentration und A/F des Messgegenstandsgases auf der Basis des Pumpstroms Ip0 berechnen.
• Darüber hinaus führt die Steuervorrichtung 90 eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromversorgung 52 derart durch, das die Spannung V1 eine Zielspannung V1* erreicht (mit anderen Worten, so dass die Sauerstoffkonzentration des zweiten Innenraums 40 eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration erreicht, die im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist). Es sollte beachtet werden, dass die Zielspannung V1* unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls in der Referenzelektrode 42 aufgrund der Sauerstoffpumpsteuerung eingestellt werden kann. Damit einhergehend stellt die Steuervorrichtung 90 die Zielspannung V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 ein. Folglich ist der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten Innenraum 40 eingeführt wird, stets konstant.
• Ferner führt die Steuervorrichtung 90 eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromversorgung 46 derart durch, dass die Spannung V2 eine Zielspannung V2* erreicht (mit anderen Worten, so dass die Konzentration von Sauerstoff, der aufgrund einer Reduktion des Stickstoffoxids in dem Messgegenstandsgas in dem dritten Innenraum 61 erzeugt worden ist, im Wesentlichen Null ist), und berechnet eine Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2. Es sollte beachtet werden, dass die Zielspannung V2* unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls in der Referenzelektrode 42 aufgrund der Sauerstoffpumpsteuerung eingestellt werden kann.
• Nachstehend wird die Funktion der Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 beschrieben. Das Messgegenstandsgas wird von der Sensorelementkammer 133, die in der 1 gezeigt ist, in den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt, wie z.B. die Gaseinführungsöffnung 10, des Sensorelements 101 eingeführt. Im Gegensatz dazu wird das Referenzgas (Luft) in dem Raum 149, der in der 1 gezeigt ist, in die Lufteinführungsschicht 48 des Sensorelements 101 eingeführt. Ferner sind die Sensorelementkammer 133 und der Raum 149 durch den Sensoranordnungskörper 140 (insbesondere die Grünpresskörper 145a, 145b) aufgeteilt und abgedichtet, so dass das Gas nicht durcheinander strömt. Wenn jedoch der Druck des Messgegenstandsgases vorübergehend ansteigt, kann eine geringe Menge des Messgegenstandsgases in den Raum 149 eintreten. Als Folge davon verändert sich, wenn die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 vorübergehend vermindert wird, das Referenzpotential, welches das Potenzial der Referenzelektrode 42 ist. Folglich wird eine Spannung relativ zu der Referenzelektrode 42, wie z.B. die Spannung V2 der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 82 zur Messpumpsteuerung, verändert und die Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas wird vermindert. Die Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 weist die Funktion des Verminderns einer solchen Abnahme der Genauigkeit der Erfassung auf. Die Steuervorrichtung 90 bewirkt, dass der Sauerstoffpumpstrom Ip3 durch Anlegen einer Pulsspannung als die Spannung Vp3 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 der Referenzgas-Einstellpumpzelle 84 fließt, wodurch eine Sauerstoffpumpsteuerung zum Pumpen von Sauerstoff von der Umgebung der außenseitigen Pumpelektrode 23 in die Umgebung der Referenzelektrode 42 durchgeführt wird, wobei die Pulsspannung (vgl. die 4) in einem vorgegebenen Zeitraum (z.B. 10 ms) wiederholt EIN und AUS geschaltet wird. Folglich kann, wie es vorstehend beschrieben worden ist, wenn in dem Messgegenstandsgas die Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 vorübergehend vermindert ist, der verminderte Sauerstoff kompensiert werden und die Abnahme der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration kann vermindert werden.
• Als nächstes wird nachstehend die Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung beschrieben, die durch die Steuervorrichtung 90 durchgeführt wird. Die Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung ist die Verarbeitung zum Aktualisieren der Zielspannungen V1*, V2*. Das Flussdiagramm der Zielwert-Aktualisierungsverarbeitung ist in der 6 gezeigt. Mit der Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung wird für jede vorgegebene Zeit begonnen (z.B. alle 50 Stunden oder alle 100 Stunden). Mit der Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung kann jedoch begonnen werden, wenn ein Bediener einen Startbefehl für die Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung eingibt.
• Wenn mit der Verarbeitung begonnen wird, stoppt die CPU 92 der Steuervorrichtung 90 verschiedene Steuerungsarten (S100). Insbesondere stoppt die CPU 92 die Regelung der Pumpspannung Vp0, so dass bewirkt wird, dass die Spannung V0 die Zielspannung V0* erreicht, die Regelung der Pumpspannung Vp1, so dass bewirkt wird, dass die Spannung V1 die Zielspannung V1* erreicht, die Regelung der Pumpspannung Vp2, so dass bewirkt wird, dass die Spannung V2 die Zielspannung V2* erreicht und dass die Sauerstoffpumpsteuerung Sauerstoff in die Referenzelektrode 42 pumpt.
• Als nächstes erhält die CPU 92 eine erste Basisspannung Vref1 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird (S110). Insbesondere nachdem zugelassen worden ist, dass ein Nullzustand der Spannung Vp3 für eine vorgegebene Zeit (z.B. etwa das 100-fache des Zeitraums der Pulsspannung) fortgesetzt wird, liest die CPU 92 die Spannung Vref und speichert sie als die erste Basisspannung Vref1 in dem Speicher 94. Die erste Basisspannung Vref1 ist die Spannung, wenn im Wesentlich kein Effekt der Pulsspannung festgestellt wird, und wie es in der 5 gezeigt ist, weist die Spannung ungeachtet der vergangenen Zeit einen konstanten Wert auf. Die erste Basisspannung Vref1 umfasst eine elektromotorische Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Referenzgas und dem Messgegenstandsgas.
• Als nächstes erhält die CPU 92 eine zweite Basisspannung Vref2 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird (S120). Wenn die Pulsspannung in der 4 auf die Spannung Vp3 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 angewandt wird, wird die Spannung Vref, die durch die Vref-Erfassungssensorzelle 83 erfasst wird, verändert, wie es in der 5 gezeigt ist. Insbesondere wenn die Pulsspannung für die Spannung Vp3 auf ein EIN eingestellt wird, steigt die Spannung Vref entsprechend allmählich an und wenn die Pulsspannung für die Spannung Vp3 auf AUS eingestellt wird, fällt die Spannung Vref entsprechend allmählich ab. Während des Zeitraums ab dem Einstellen der Pulsspannung auf AUS, bis die Pulsspannung als nächstes auf EIN eingestellt wird, konvergiert die Spannung Vref etwa auf eine vorgegebene Spannung. Die CPU 92 liest die Spannung Vref (konvergierte Spannung) unmittelbar vor (vgl. den Pfeil aus einer gestrichelten Linie in der 5) dem nächstmaligen Einstellen der Pulsspannung auf EIN, nachdem die Pulsspannung auf AUS eingestellt worden ist, aus und speichert die Spannung Vref als die zweite Basisspannung Vref2 in dem Speicher 94. Die zweite Basisspannung Vref2 umfasst eine Spannung (Spannungsabfall) zusätzlich zu der elektromotorischen Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen dem Referenzgas und dem Messgegenstandsgas, wobei die Spannung durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode 42 mit dem Sauerstoffpumpstrom, der durch die Referenzelektrode 42 fließt, erhalten wird.
• Es sollte beachtet werden, dass dann, wenn die erste und die zweite Basisspannung Vref1, Vref2 erhalten werden, die jeweiligen Sauerstoffkonzentrationen des Messgegenstandsgases identisch sein sollten. Beispielsweise in dem Fall, bei dem das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Verbrennungsmotors ist, sind die jeweiligen Sauerstoffkonzentrationen, die in dem Abgas enthalten sind, identisch, wenn dem Verbrennungsmotor kein Kraftstoff zugeführt wird, so dass die erste und die zweite Basisspannung Vref1, Vref2 erhalten werden, wenn kein Kraftstoff zugeführt wird.
• Als nächstes berechnet die CPU 92 die vorliegende Restspannung DVref und speichert sie in dem Speicher 94 (S130). Insbesondere berechnet die CPU 92 die vorliegende Restspannung DVref durch Subtrahieren der ersten Basisspannung Vref1 von der zweiten Basisspannung Vref2 und speichert die vorliegende Restspannung DVref in dem Speicher 94. Die Restspannung DVref ist wahrscheinlich mit der Spannung (Spannungsabfall) identisch, die durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode 42 durch den Sauerstoffpumpstrom, der durch die Referenzelektrode 42 fließt, erhalten wird.
• Als nächstes liest die CPU 92 die vorangegangene Restspannung DVref aus dem Speicher 94 aus (S140) und berechnet die Differenz ΔDVref durch Subtrahieren der vorangegangenen Restspannung DVref von der vorliegenden Restspannung DVref (S150). Die Differenz ΔDVref ist wahrscheinlich mit der Differenz zwischen dem gegenwärtigen Spannungsabfall und dem vorangegangenen Spannungsabfall identisch. Mit anderen Worten, es kann davon ausgegangen werden, dass die Differenz ΔDVref eine Spannung ist, die das Ausmaß der Widerstandsänderung wiedergibt, wenn die Referenzelektrode 42 im Zeitverlauf von der vergangenen Zeit bis zur gegenwärtigen Zeit abgebaut worden ist bzw. sich verschlechtert hat und sich der Widerstand der Referenzelektrode 42 ändert. Es sollte beachtet werden, dass bei der erstmaligen Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung die Differenz ΔDVref als Null erachtet werden kann, da die vorangegangene Restspannung DVref nicht in dem Speicher 94 gespeichert ist.
• Als nächstes aktualisiert die CPU 92 die Zielspannungen V1*, V2* auf der Basis der Differenz ΔDVref (S160) und vervollständigt die vorliegende Routine. Insbesondere berechnet die CPU 92 die gegenwärtigen Zielspannungen V1*, V2* durch Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref bezüglich der vorangegangenen Zielspannungen V1*, V2*.
• Anschließend beginnt die CPU 92 erneut mit den verschiedenen Steuerungsarten, die in S100 gestoppt worden sind. Insbesondere beginnt die CPU 92 erneut mit der Sauerstoffpumpsteuerung, führt eine Regelung mit der Spannung Vp1 durch, so dass die Spannung V1 die Zielspannung V1* nach dem Aktualisieren erreicht, und führt eine Regelung der Spannung Vp2 durch, so dass die Spannung V2 die Zielspannung V2* nach dem Aktualisieren erreicht. Darüber hinaus liest die CPU 92 den Pumpstrom Ip2 bei demselben Zeitpunkt wie der Zeitpunkt der Messung der zweiten Basisspannung Vref2, mit anderen Worten, bei dem Zeitpunkt unmittelbar bevor die Pulsspannung auf EIN eingestellt wird, und zwar das nächste Mal nachdem die Pulsspannung auf AUS eingestellt worden ist, und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2.
• Der Pumpstrom Ip2, der zum Bestimmen der NOx-Konzentration verwendet wird, ist der Strom, der durch die Pumpzelle 41 zur Messung fließt, wenn die variable Stromversorgung 46 (die Spannung Vp2) der Pumpzelle 41 zur Messung so gesteuert wird, dass die Spannung V2 die Zielspannung V2* erreicht. Die Spannung V2 umfasst die elektromotorische Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Messelektrode 44 und der Umgebung der Referenzelektrode 42, die thermoelektromotorische Kraft zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 und den Wert (Spannungsabfall), der durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode 42 mit dem Sauerstoffpumpstrom durch die Referenzelektrode 42 erhalten wird. Obwohl sich die thermoelektromotorische Kraft im Zeitverlauf kaum ändert, ändert sich der Spannungsabfall im Zeitverlauf, da die Referenzelektrode 42 im Zeitverlauf abgebaut wird bzw. sich verschlechtert und sich der Widerstand ändert. Wenn die Spannung V2 auf ein konstantes Niveau eingestellt wird, vermindert eine Zunahme des Spannungsabfalls die elektromotorische Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Messelektrode 44 und der Umgebung der Referenzelektrode 42, wodurch bewirkt wird, dass die Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration vermindert wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch, wie es vorstehend beschrieben ist, die Zielspannung V2* auf der Basis der Restspannung DVref, die dem Spannungsabfall entspricht, aktualisiert. Folglich wird, wenn die Spannung V2 so eingestellt wird, dass sie die Zielspannung V2* erreicht, die elektromotorische Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Messelektrode 44 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 nicht vermindert und die Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration wird verbessert.
• Die Spannung V1 ist der Wert der Messung der Potenzialdifferenz zwischen der Referenzelektrode 42 und der Hilfspumpelektrode 51, und wird folglich durch den Sauerstoffpumpstrom bewirkt, der durch die Referenzelektrode 42 fließt. Daher ermöglicht eine Aktualisierung der Zielspannung V1* der Spannung V1 auf der Basis der Restspannung DVref, dass die Sauerstoffkonzentration des zweiten Innenraums 40 mit einer hohen Genauigkeit auf eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration eingestellt wird, die im Wesentlichen keinen Effekt auf die Messung von NOx aufweist. Die Spannung V1 umfasst die elektromotorische Kraft auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Hilfspumpelektrode 51 und der Umgebung der Referenzelektrode 42, die thermoelektromotorische Kraft zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 und den Wert (Spannungsabfall), der durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode 42 mit dem Sauerstoffpumpstrom durch die Referenzelektrode 42 erhalten wird.
• Nachstehend wird die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten der vorliegenden Ausführungsform und den Komponenten der vorliegenden Erfindung erläutert. Ein laminierter Körper, in dem sechs Schichten in der Reihenfolge laminiert sind, die nachstehend in der vorliegenden Ausführungsform angegeben ist, entspricht dem laminierten Körper in der vorliegenden Erfindung, wobei die sechs Schichten die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 sind. Die Referenzelektrode 42 entspricht der Referenzelektrode, die Messelektrode 44 entspricht der Messelektrode, die außenseitige Pumpelektrode 23 entspricht der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode und die CPU 92 der Steuervorrichtung 90 entspricht der Steuervorrichtung und der Berechnungsvorrichtung.
• In dem Gassensor 100 der vorliegenden Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, kann, obwohl die Sauerstoffkonzentration des Referenzgases vermindert ist, z.B. wenn das Messgegenstandsgas in die Umgebung der Referenzelektrode 42 eintritt, die Verminderung der Sauerstoffkonzentration des Referenzgases durch Durchführen der Sauerstoffpumpsteuerung verhindert werden. Zusätzlich zu der Spannung auf der Basis der Sauerstoffkonzentrationsdifferenz zwischen der Umgebung der Messelektrode 44 und der Umgebung der Referenzelektrode 42 umfasst die Spannung V2 über der Referenzelektrode 42 und der Messelektrode 44 auch den Spannungsabfall, der durch Multiplizieren des Widerstands der Referenzelektrode 42 mit dem Sauerstoffpumpstrom, der bei der Sauerstoffpumpsteuerung durch die Referenzelektrode 42 fließt, erhalten wird. Der Spannungsabfall ist wahrscheinlich gleich der Restspannung DVref, welche die Differenz zwischen der ersten Basisspannung Vref1 und der zweiten Basisspannung Vref2 ist, wobei die erste Basisspannung Vref1 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird, und die zweite Basisspannung Vref2 über der Referenzelektrode 42 und der außenseitigen Pumpelektrode 23 vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird. Dabei kann, da die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Restspannung DVref korrigiert wird, eine Verminderung der Genauigkeit der Erfassung der NOx-Konzentration aufgrund eines Abbaus bzw. einer Verschlechterung der Referenzelektrode 42 im Zeitverlauf verhindert werden.
• Da die Sauerstoffpumpsteuerung unter Verwendung der Pulsspannung durchgeführt wird und der Pumpstrom Ip2 und die zweite Basisspannung Vref2 in einem Zeitraum gemessen werden, in dem die Pulsspannung AUS ist, kann der Effekt der Spannung, die für die Sauerstoffpumpsteuerung verwendet wird, auf die Messung des Pumpstroms Ip2 und der zweiten Basisspannung Vref2 vermindert werden. Insbesondere da der Pumpstrom Ip2 und die zweite Basisspannung Vref2 zu dem Zeitpunkt unmittelbar vor dem nächstmaligen Einstellen der Pulsspannung auf EIN in einem Zeitraum gemessen werden, in dem die Pulsspannung AUS ist, kann ein solcher Effekt weiter vermindert werden.
• Darüber hinaus ist die Differenz ΔDVref wahrscheinlich gleich der Differenz zwischen dem gegenwärtigen Spannungsabfall und dem vorangegangenen Spannungsabfall. Insbesondere kann davon ausgegangen werden, dass die Differenz ΔDVref die Spannung ist, die das Ausmaß der Widerstandsänderung wiederspiegelt, wenn die Referenzelektrode 42 im Zeitverlauf von der vorangegangenen Zeit bis zu der gegenwärtigen Zeit abgebaut bzw. verschlechtert wird und sich der Widerstand der Referenzelektrode 42 ändert. Folglich können die Zielspannungen V1*, V2* durch Korrigieren der Zielspannungen V1*, V2* auf der Basis der Differenz in einer geeigneten Weise eingestellt werden.
• Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann in verschiedenen Modi ausgeführt werden, solange sie zu dem technischen Umfang der Erfindung gehören.
• Beispielsweise wird in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NOx-Konzentration durch Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref in Bezug auf die vorangegangenen Zielspannungen V1*, V2* korrigiert. Ohne jedoch speziell darauf beschränkt zu sein, kann die NOx-Konzentration beispielsweise durch Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref in Bezug auf die erfassten Spannungen V1, V2 ohne Aktualisieren der Zielspannungen V1*, V2* korrigiert werden.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann eine Lufteinführungsschicht 248, die in der 7 gezeigt ist, anstelle der Lufteinführungsschicht 48 verwendet werden. Die Lufteinführungsschicht 248 liegt zu einem Referenzgas-Einführungsraum 43 frei, der durch Bohren eines hinteren Abschnitts der ersten Festelektrolytschicht 4 erhalten wird. Die Lufteinführungsschicht 248 ist so gestaltet, dass sie das Eintreten von Luft durch den freiliegenden Abschnitt ermöglicht.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 des Gassensors 100 den ersten Innenraum 20, den zweiten Innenraum 40 und den dritten Innenraum 61. Ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, muss das Sensorelement 101 den dritten Innenraum 61 nicht umfassen, wie z.B. in einem Sensorelement 201 in der 8. In dem Sensorelement 201 gemäß einer Modifizierung, die in der 8 gezeigt ist, sind zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 die Gaseinführungsöffnung 10, der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, der Pufferraum 12, der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, der erste Innenraum 20, der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 und der zweite Innenraum 40 in einer Weise angrenzend ausgebildet, so dass die Komponenten in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 in dem zweiten Innenraum 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist mit einem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 45 bedeckt. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 45 ist ein Film, der einen porösen Keramikkörper, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃), umfasst. Entsprechend dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 45 eine Funktion des Beschränkens der Menge von NOx auf, das in der Messelektrode 44 strömt. Darüber hinaus dient der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 45 auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Der obere Elektrodenabschnitt 51a der Hilfspumpelektrode 51 wird bis unmittelbar oberhalb der Messelektrode 44 gebildet. Selbst mit einem solchen Aufbau des Sensorelements 201 kann entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NOx-Konzentration durch die Pumpzelle 41 zur Messung erfasst werden. In diesem Fall dient die Umgebung der Messelektrode 44 als Messkammer. Es sollte beachtet werden, dass dieselben Komponenten wie in der 2 in der 8 mit demselben Symbol bezeichnet sind.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Referenzelektrode 42 direkt auf der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 ausgebildet. Ohne jedoch darauf beschränkt zu sein, kann die Referenzelektrode 42 z.B. direkt auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet sein.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wurde der Fall beschrieben, bei dem die NOx-Konzentration, die in dem Messgegenstandsgas enthalten ist, gemessen wird. Ohne jedoch auf die NOx-Konzentration beschränkt zu sein, kann z.B. die Ammoniakkonzentration, die in dem Messgegenstandsgas enthalten ist, unter Verwendung des Gassensors 100 gemessen werden. In diesem Fall wird bewirkt, dass die innenseitige Pumpelektrode 22 in dem ersten Innenraum 20 ein Metall mit einer katalytischen Funktion enthält, welche die Oxidation von Ammoniak fördert. Das Ammoniak, das in dem Messgegenstandsgas enthalten ist, wird in dem ersten Innenraum 20 oxidiert und in NO umgewandelt. Das NO wird nach der Umwandlung durch den zweiten Innenraum 40 in den dritten Innenraum 61 eingeführt, der als Messkammer dient. Folglich wird die Messung der Ammoniakkonzentration im Wesentlichen mit demselben Prinzip durchgeführt, wie es zur Messung der NOx-Konzentration verwendet wird.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann die NOx-Konzentration auf der Basis des Änderungsausmaßes der thermoelektromotorischen Kraft im Zeitverlauf weiter korrigiert werden. Ein Beispiel ist durch das Flussdiagramm in der 9 gezeigt. Die thermoelektromotorische Kraft kann sich auf die thermoelektromotorische Kraft, die durch die Temperaturdifferenz zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 erzeugt wird, und die thermoelektromotorische Kraft, die durch die Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 erzeugt wird, beziehen. In dem Flussdiagramm, das in der 9 gezeigt ist, wird die Verarbeitung in S100 bis S150 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durchgeführt. In S110 erhält die CPU 92 jedoch auch die Spannungen V1, V2, wenn die verschiedenen Steuerungsarten gestoppt sind und die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird. Nach S150 berechnet die CPU 92 die Differenzen ΔV1, ΔV2 (S152). Die Differenz ΔV1 ist der Wert, der durch Subtrahieren der Spannung V1, die in dem vorangegangenen S110 erhalten wird, von der Spannung V1, die in dem gegenwärtigen S110 erhalten wird, berechnet wird. Die Differenz ΔV1 ist wahrscheinlich mit dem Differenzausmaß (dem Änderungsausmaß im Zeitverlauf) der thermoelektromotorischen Kraft, die durch die Temperaturdifferenz zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 erzeugt wird, zwischen der gegenwärtigen Zeit und der vorangegangenen Zeit identisch. Die Differenz ΔV2 ist der Wert, der durch Subtrahieren der Spannung V2, die in dem vorangegangenen S110 erhalten wird, von der Spannung V2, die in dem gegenwärtigen S110 erhalten wird, berechnet wird. Die Differenz ΔV2 ist wahrscheinlich mit dem Differenzausmaß (dem Änderungsausmaß im Zeitverlauf) der thermoelektromotorischen Kraft, die durch die Temperaturdifferenz zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der Referenzelektrode 42 erzeugt wird, zwischen der gegenwärtigen Zeit und der vorangegangenen Zeit identisch. Es sollte beachtet werden, dass bei der erstmaligen Zielspannung-Aktualisierungsverarbeitung davon ausgegangen wird, dass die Differenzen ΔV1, ΔV2 Null sind. Als nächstes aktualisiert die CPU 92 die Zielspannung V1* auf der Basis der Summe der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV1 und aktualisiert auch die Zielspannung V2* auf der Basis der Summe der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV2 (S154) und vervollständigt dann die vorliegende Routine. Insbesondere berechnet die CPU 92 die gegenwärtige Zielspannung V1* durch Wiederspiegeln (z.B. Addieren) der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV1 in Bezug auf die vorangegangene Zielspannung V1* sowie die gegenwärtige Zielspannung V2* durch Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV2 in Bezug auf die vorangegangene Zielspannung V2*. Gemäß dem Flussdiagramm in der 9 wird der gleiche Effekt erhalten, wie er durch die vorstehend beschriebene Ausführungsform bereitgestellt wird, und darüber hinaus wird folglich selbst dann, wenn sich die thermoelektromotorische Kraft im Zeitverlauf ändert, die NOx-Konzentration unter Berücksichtigung der Änderung im Zeitverlauf erfasst, wodurch ferner eine Verminderung der Genauigkeit der Erfassung einer Konzentration eines spezifischen Gases im Zeitverlauf verhindert werden kann.
• In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform wird die Differenz ΔDVref auf die Differenz zwischen der gegenwärtigen ΔDVref und der vorangegangenen ΔDVref eingestellt. Die Differenz ΔDVref kann jedoch die Differenz zwischen der gegenwärtigen ΔDVref und der Anfangszeit (des Anfangszeitpunkts des Beginns der Verwendung)-ΔDVref sein. In diesem Fall können die gegenwärtigen Zielspannungen V1*, V2* durch Wiederspiegeln (z.B. Addieren) der Differenz ΔDVref in Bezug auf die Anfangszeit-Zielspannungen V1*, V2* berechnet werden. Darüber hinaus können in dem Flussdiagramm von 9 zusätzlich zu der Einstellung der Differenz ΔDVref auf die Differenz zwischen der gegenwärtigen ΔDVref und der anfänglichen ΔDVref die Differenzen ΔV1, ΔV2 die Werte sein, die durch Subtrahieren der anfänglichen (des Anfangszeitpunkts des Beginns der Verwendung) Spannungen V1, V2 von den gegenwärtigen Spannungen V1, V2 erhalten werden. Die gegenwärtigen Zielspannungen V1*, V2* können durch Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV1 in Bezug auf die anfängliche Zielspannung V1 und Wiederspiegeln der Differenz ΔDVref und der Differenz ΔV2 in Bezug auf die anfängliche Zielspannung V2 berechnet werden.
• Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2018-122843 , die am 28. Juni 2018 eingereicht worden ist und deren gesamter Inhalt unter Bezugnahme hierin einbezogen ist.
• Gewerbliche Anwendbarkeit
• Die vorliegende Erfindung kann auf einen Gassensor angewandt werden, der eine Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder Sauerstoff, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
• Bezugszeichenliste

1

Erste Substratschicht,

2

Zweite Substratschicht,

3

Dritte Substratschicht,

4

Erste Festelektrolytschicht,

5

Abstandshalterschicht,

6

Zweite Festelektrolytschicht,

10

Gaseinführungsöffnung,

11

Erster Diffusionsrateneinstellabschnitt,

12

Pufferraum,

13

Zweiter Diffusionsrateneinstellabschnitt,

20

Erster Innenraum,

21

Hauptpumpzelle,

22

Innenseitige Pumpelektrode,

22a

Oberer Elektrodenabschnitt,

22b

Unterer Elektrodenabschnitt,

23

Außenseitige Pumpelektrode,

25

Variable Stromversorgung,

30

Dritter Diffusionsrateneinstellabschnitt,

40

Zweiter Innenraum,

41

Pumpzelle zur Messung,

42

Referenzelektrode,

43

Referenzgas-Einführungsraum,

44

Messelektrode,

45

Vierter Diffusionsrateneinstellabschnitt,

46

Variable Stromversorgung,

48

Lufteinführungsschicht,

48c

Einlassabschnitt,

50

Hilfspumpzelle,

51

Hilfspumpelektrode,

51a

Oberer Elektrodenabschnitt,

51b

Unterer Elektrodenabschnitt,

52

Variable Stromversorgung,

60

Vierter Diffusionsrateneinstellabschnitt,

61

Dritter Innenraum,

70

Heizeinrichtungseinheit,

71

Heizeinrichtung-Verbinderelektrode,

72

Heizeinrichtung,

73

Durchgangsloch,

74

Heizeinrichtung-Isolierschicht,

75

Druckablassloch,

76

Anschlussdraht,

80

Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung,

81

Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung,

82

Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung,

83

Vref-Erfassungssensorzelle,

84

Referenzgas-Einstellpumpzelle,

90

Steuervorrichtung,

92

CPU,

94

Speicher,

100

Gassensor,

101, 201

Sensorelement,

130

Schutzabdeckung,

131

Innenseitige Schutzabdeckung,

132

Außenseitige Schutzabdeckung,

133

Sensorelementkammer,

140

Sensoranordnungskörper,

141

Elementabdichtungskörper,

142

Hauptmetallformteil,

143

Innenrohr,

143a, 143b

Abschnitt mit vermindertem Durchmesser,

144a, 144b, 144c

Keramikhalter,

145a, 145b

Grünpresskörper,

146

Metallring,

147

Mutter,

148

Außenrohr,

149

Raum,

150

Verbinder,

155

Anschlussdraht,

157

Kautschukstopfen,

190

Leitung,

191

Befestigungselement,

248

Lufteinführungsschicht

• 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
• WO 2013/005491 [0012]
• JP 2018122843 [0084]

Claims (5)

1. Gassensor, umfassend: einen laminierten Körper, der eine Mehrzahl von laminierten Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten aufweist und im Inneren mit einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt versehen ist, der ein Messgegenstandsgas einführt und ermöglicht, dass dieses strömt; eine Referenzelektrode, die im Inneren von dem laminierten Körper angeordnet ist und zu der ein Referenzgas eingeführt wird, wobei das Referenzgas als Referenz zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient; eine Messelektrode, die auf einer Innenumfangsoberfläche einer Messkammer des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts bereitgestellt ist; eine Messgegenstandsgas-seitige Elektrode, die in einem Abschnitt des laminierten Körpers bereitgestellt ist, wobei der Abschnitt dem Messgegenstandsgas ausgesetzt ist; eine Steuervorrichtung, die eine Sauerstoffpumpsteuerung zum Pumpen von Sauerstoff von der Umgebung der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode in die Umgebung der Referenzelektrode durchführt; und eine Berechnungsvorrichtung, die während der Ausführung der Sauerstoffpumpsteuerung einen Pumpstrom zur Konzentrationserfassung misst, wenn Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, von der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass eine Spannung über der Referenzelektrode und der Messelektrode eine Zielspannung erreicht, und die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung berechnet, wobei die Berechnungsvorrichtung die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis einer Differenz zwischen einer ersten Basisspannung und einer zweiten Basisspannung korrigiert, wobei die erste Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung nicht durchgeführt wird, wobei die zweite Basisspannung über der Referenzelektrode und der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode vorliegt, wenn die Sauerstoffpumpsteuerung durchgeführt wird.
2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die Sauerstoffpumpsteuervorrichtung die Sauerstoffpumpsteuerung durch Anlegen einer Spannung über der Messgegenstandsgas-seitigen Elektrode und der Referenzelektrode, die wiederholt EIN und AUS geschaltet wird, durchführt, und die Berechnungsvorrichtung den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung und die zweite Basisspannung in einem Zeitraum misst, in dem die Spannung, die in der Sauerstoffpumpsteuerung wiederholt EIN und AUS geschaltet wird, AUS ist.
3. Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Berechnungsvorrichtung den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung und die zweite Basisspannung zu einem Zeitpunkt in einem Zeitraum misst, in dem die Spannung, die in der Sauerstoffpumpsteuerung wiederholt EIN und AUS geschaltet wird, AUS ist, wobei der Zeitpunkt unmittelbar vor dem nächstmaligen Einstellen der Spannung auf EIN liegt.
4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei beim Messen des Pumpstroms zur Konzentrationserfassung die Berechnungsvorrichtung die Zielspannung, die zu einer vorangegangenen Zeit verwendet worden ist, auf der Basis eines Differenzausmaßes zwischen einer Differenz der ersten Basisspannung und der zweiten Basisspannung bei einer gegenwärtigen Zeit und einer Differenz der ersten Basisspannung und der zweiten Basisspannung bei einer vorangegangenen Zeit korrigiert, und den Pumpstrom zur Konzentrationserfassung misst, wenn Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas stammt, von der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, so dass die Zielspannung nach der Korrektur erhalten wird.
5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Berechnungsvorrichtung ferner die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis eines Änderungsausmaßes einer thermoelektromotorischen Kraft im Zeitverlauf korrigiert.

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