DE112020001599T5 - Gassensor - Google Patents

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electrode
pumping
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gas
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Takayuki Sekiya
Yusuke Watanabe
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Original Assignee
NGK Insulators Ltd
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Abstract

Ein Gassensor 100 erfasst eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas und umfasst einen Elementkörper (Schichten 1 bis 6) und eine oder mehrere Pumpzelle(n) (21, 50, 41). Der Elementkörper umfasst eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht und ist mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt darin versehen. Der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt erhält ein Messgegenstandsgas und ermöglicht es dem Messgegenstandsgas, durch diesen zu strömen. Die eine oder mehreren Pumpzelle(n) weist oder weisen jeweils eine innere Elektrode (22, 51, 44) und eine äußere Pumpelektrode 23 auf und pumpt oder pumpen Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode (22, 51, 44) zu der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 hinaus. Die innere Elektrode ist in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet und enthält ein katalytisch aktives Edelmetall. Die äußere Pumpelektrode ist in einem Bereich angeordnet, der zu dem Messgegenstandsgas an einer Außenseite des Elementkörpers freiliegt. Mindestens eine Pumpzelle (Messpumpzelle 41) der einen oder mehreren Pumpzelle(n) pumpt den Sauerstoff durch Anwenden eines wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms Ip2 zwischen einer Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 hinaus.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Gassensoren.
  • Stand der Technik
  • Ein bekannter Gassensor des Standes der Technik erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs. Beispielsweise beschreibt das Patentdokument 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper aus einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten, einer Hauptpumpzelle und einer Messpumpzelle umfasst. Die Hauptpumpzelle umfasst eine innere Pumpelektrode, die in einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt innerhalb des Schichtkörpers angeordnet ist, und umfasst auch eine äußere Pumpelektrode, die außerhalb des Schichtkörpers angeordnet ist. Die Messpumpzelle umfasst eine Messelektrode, die in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet ist, und umfasst auch eine äußere Pumpelektrode. Wenn dieser Gassensor die NOx-Konzentration erfassen soll, pumpt die Hauptpumpzelle zuerst Sauerstoff von dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt hinaus oder pumpt Sauerstoff in den Messgegenstandsgasströmungsabschnitt hinein, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt eingestellt wird. Anschließend wird nach dem Einstellen der Sauerstoffkonzentration NOx in dem Messgegenstandsgas reduziert und Sauerstoff, der als Ergebnis der Reduktion erzeugt worden ist, wird durch die Messpumpzelle hinausgepumpt. Auf der Basis eines Pumpstroms, der durch die Messpumpzelle fließt, wird die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erfasst.
  • Dokumentenliste
  • Patentdokument
  • PTL 1: JP 2015-200642 A
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Technisches Problem
  • Jede der Elektroden, die in die Pumpzellen des Gassensors einbezogen ist, ist katalytisch aktiv (d.h., weist eine katalytische Wirkung auf) und dient als Katalysator für eine Reaktion, bei der Sauerstoff in Ionen umgewandelt wird. Wenn der Gassensor verwendet wird, kann sich jedoch die katalytische Aktivität dieser Elektrode ändern, wie in einem Fall, bei dem die katalytische Aktivität abnimmt (d.h., deaktiviert wird). Eine Änderung der katalytischen Aktivität kann manchmal zu einem Problem in dem Gassensor führen, wie z.B. einer Verschlechterung der Empfindlichkeit zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases.
  • Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und eine Hauptaufgabe davon ist das Verhindern einer Änderung der katalytischen Aktivität einer Elektrode aufgrund der Verwendung des Gassensors.
  • Lösung des Problems
  • Die vorliegende Erfindung stellt die folgenden Lösungen zum Lösen der vorstehend genannten Hauptaufgabe bereit.
  • Ein Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung erfasst eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas und umfasst einen Elementkörper und eine oder mehrere Pumpzelle(n). Der Elementkörper umfasst eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht und ist mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt darin versehen. Der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt erhält ein Messgegenstandsgas und ermöglicht es dem Messgegenstandsgas, durch diesen zu strömen. Die eine oder mehreren Pumpzelle(n) weist bzw. weisen jeweils eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode auf und pumpt oder pumpen Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode zu der Umgebung der äußeren Elektrode hinaus. Die innere Elektrode ist in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet und enthält ein katalytisch aktives Edelmetall. Die äußere Elektrode ist in einem Bereich angeordnet, der zu dem Messgegenstandsgas an einer Außenseite des Elementkörpers freiliegt. Mindestens eine Pumpzelle der einen oder mehreren Pumpzelle(n) pumpt den Sauerstoff durch Anwenden eines wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode hinaus.
  • Dieser Gassensor umfasst die eine oder mehreren Pumpzelle(n). Mindestens eine der Pumpzellen pumpt den Sauerstoff durch Anwenden des wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode von der Umgebung der inneren Elektrode zu der Umgebung der äußeren Elektrode hinaus. Durch Anwenden des wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms (nachstehend als „intermittierender Pumpstrom“ bezeichnet) in dieser Weise kann eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Elektrode aufgrund der Verwendung des Gassensors verglichen mit einem Fall verhindert werden, bei dem auf eine Pumpzelle ein kontinuierlicher Pumpstrom angewandt wird. Ein denkbarer Grund dafür wird nachstehend beschrieben. Wenn Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode durch Anwenden des Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode hinausgepumpt werden soll, wird der umgebende Sauerstoff innerhalb der inneren Elektrode in Sauerstoffionen umgewandelt. Die Sauerstoffionen dienen als Elektronenträger und wandern zu der äußeren Elektrode. Während dieses Vorgangs finden dann, wenn der Pumpstrom ein kontinuierlicher elektrischer Strom ist, sowohl eine Reaktion, bei der einige Edelmetalle in der inneren Elektrode oxidieren, als auch eine Reaktion statt, bei der Sauerstoffionen als Ergebnis der Reduktion der oxidierten Edelmetalle freigesetzt werden. Wenn beide Reaktionen einen Gleichgewichtszustand erreichen, befinden sich einige der Edelmetalle in der inneren Elektrode in einem permanent oxidierten Zustand. Da oxidierte Edelmetalle dazu neigen, leichter zu verdampfen als vor ihrer Oxidation, neigen die Edelmetalle in der inneren Elektrode bei der Verwendung des Gassensors zu einer Abnahme, was bewirkt, dass sich die katalytische Aktivität der inneren Elektrode ändert. Andererseits betrifft die folgende Beschreibung einen Fall, bei dem ein intermittierender Pumpstrom verwendet wird und intermittierend angewandt wird, so dass der intermittierende Pumpstrom ein durchschnittlicher elektrischer Strom wird, der mit dem kontinuierlichen Pumpstrom identisch ist. In diesem Fall ist der Pumpstrom, der bei der inneren Elektrode während eines Ein-Modus angewandt wird, ein Wert, der größer ist als der kontinuierliche Pumpstrom. Demgemäß wird der Sauerstoff innerhalb der inneren Elektrode in Ionen umgewandelt und wandert während des Ein-Modus des intermittierenden Pumpstroms stärker zu der äußeren Elektrode als in dem Fall, bei dem der Pumpstrom kontinuierlich angewandt wird, so dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb der inneren Elektrode abnimmt. In einem solchen Zustand, bei dem die Sauerstoffkonzentration innerhalb der inneren Elektrode niedrig ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die vorstehend genannten Edelmetalle in der inneren Elektrode oxidieren, und vielmehr kann eine Reduktion von oxidierten Edelmetallen stattfinden. Folglich wird eine Abnahme der vorstehend genannten Edelmetalle in der inneren Elektrode unter Verwendung des Gassensors verhindert. Ferner fließt ein elektrischer Strom kaum zu der inneren Elektrode, wenn sich der Pumpstrom in einem Aus-Modus befindet, so dass eine Oxidation der vorstehend genannten Edelmetalle in der inneren Elektrode mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit stattfindet. Als Ergebnis wird eine Oxidation der Edelmetalle in der inneren Elektrode sowohl in einem Ein-Modus als auch in einem Aus-Modus verhindert. Es ist folglich davon auszugehen, dass eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Elektrode aufgrund der Verwendung des Gassensors unterdrückt wird.
  • In dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann die eine oder können die mehreren Pumpzelle(n) eine Hauptpumpzelle, eine Hilfspumpzelle und eine Messpumpzelle umfassen. Die Hauptpumpzelle weist eine innere Hauptpumpelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Hauptpumpelektrode, die als die äußere Elektrode dient, auf. Die innere Hauptpumpelektrode ist in einem ersten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet. Die Hauptpumpzelle pumpt Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum hinaus. Die Hilfspumpzelle weist eine innere Hilfspumpelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Hilfspumpelektrode, die als die äußere Elektrode dient, auf. Die innere Hilfspumpelektrode ist in einem zweiten inneren Hohlraum angeordnet, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bereitgestellt ist. Die Hilfspumpzelle pumpt Sauerstoff von dem zweiten inneren Hohlraum hinaus. Die Messpumpzelle weist eine innere Messelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Messelektrode, die als die äußere Elektrode dient, auf. Die innere Messelektrode ist in einer Messkammer angeordnet, die stromabwärts von dem zweiten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bereitgestellt ist. Die Messpumpzelle pumpt Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinaus. Mindestens eine der Hauptpumpzelle, der Hilfspumpzelle und der Messpumpzelle pumpt den Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode durch Anwenden des wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode hinaus. Demgemäß kann bezüglich einer Pumpzelle von der Hauptpumpzelle, der Hilfspumpzelle und der Messpumpzelle, die so betrieben wird, dass sie einen intermittierenden Pumpstrom erhält, eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Elektrode aufgrund der Verwendung des Gassensors verhindert werden.
  • In diesem Fall kann die Messpumpzelle den Sauerstoff durch Anwenden eines Messpumpstroms, der als der wiederholt Ein-aus-gesteuerte Pumpstrom zwischen der inneren Messelektrode und der äußeren Messelektrode dient, hinausgepumpt werden. Mit anderen Worten, von der Hauptpumpzelle, der Hilfspumpzelle und der Messpumpzelle kann mindestens die Messpumpzelle unter Verwendung eines intermittierenden Pumpstroms betrieben werden. Demgemäß kann eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Messelektrode aufgrund der Verwendung des Gassensors unterdrückt werden. Eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Messelektrode weist einen größeren Effekt auf die Empfindlichkeit zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in dem Gassensor auf als eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Hauptpumpelektrode und der inneren Hilfspumpelektrode. Daher kann eine Verschlechterung der Erfassungsempfindlichkeit durch Verhindern einer Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Messelektrode leicht minimiert werden.
  • In diesem Fall kann der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine Referenzelektrode, eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, eine Messpumpzelle-Steuervorrichtung und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases umfassen. Die Referenzelektrode ist innerhalb des Elementkörpers angeordnet und erhält ein Referenzgas, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases dient. Die Messspannung-Erfassungsvorrichtung erfasst eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode. Die Messpumpzelle-Steuervorrichtung steuert den Messpumpstrom auf der Basis der Messspannung während eines zweiten Zeitraums derart, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Messkammer auf eine vorgegebene niedrige Konzentration eingestellt wird. Der zweite Zeitraum ist einer von einem ersten Zeitraum, in dem eine Änderung der Messspannung aufgrunddessen stattgefunden hat, dass sich der Messpumpstrom in einem Ein-Modus befindet, und einem zweiten Zeitraum, in dem sich die Änderung der Messspannung verglichen mit dem ersten Zeitraum aufgrunddessen, dass sich der Messpumpstrom in einem Aus-Modus befindet, vermindert hat. Die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Messpumpstroms. Der Effekt, den der Messpumpstrom auf die Messspannung während des zweiten Zeitraums aufweist, ist geringer als während des ersten Zeitraums. Daher wird die Sauerstoffkonzentration in der Messkammer durch Steuern des Messpumpstrom auf der Basis der Messspannung während des zweiten Zeitraums eingestellt, und die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas wird auf der Basis des Messpumpstroms erfasst, wodurch die Konzentration eines spezifischen Gases genau erfasst werden kann.
  • In dem Beispiel, bei dem die Messpumpzelle den Sauerstoff durch Anwenden des wiederholt Ein-aus-gesteuerten Messpumpstroms hinauspumpt, kann der Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung ferner eine Referenzelektrode, eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, eine Messpumpzelle-Steuervorrichtung und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases umfassen. Die Referenzelektrode ist innerhalb des Elementkörpers angeordnet und erhält ein Referenzgas, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases dient. Die Messspannung-Erfassungsvorrichtung erfasst eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode. Die Messpumpzelle-Steuervorrichtung steuert den Messpumpstrom derart, dass ein Durchschnittswert des Messpumpstroms auf einen vorgegebenen Zielwert eingestellt wird. Die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Messspannung während eines zweiten Zeitraums. Der zweite Zeitraum ist einer von einem ersten Zeitraum, in dem eine Änderung der Messspannung aufgrunddessen stattgefunden hat, dass sich der Messpumpstrom in einem Ein-Modus befindet, und einem zweiten Zeitraum, in dem sich die Änderung der Messspannung verglichen mit dem ersten Zeitraum aufgrunddessen, dass sich der Messpumpstrom in einem Aus-Modus befindet, vermindert hat. Demgemäß kann die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst werden. Darüber hinaus wird die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Messspannung während des zweiten Zeitraums erfasst, wodurch die Konzentration eines spezifischen Gases genau erfasst werden kann.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 100.
    • 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 90 und einzelnen Zellen zeigt.
    • 3 zeigt zeitliche Änderungen eines Pumpstroms Ip2 und einer Spannung V2.
    • 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 900 gemäß eines Vergleichsbeispiels.
    • 5 zeigt eine zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 des Gassensors 900.
    • 6 zeigt ein Beispiel, bei dem der Pumpstrom Ip2 eine Impulsfolge ist.
    • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung.
    • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Sensorelements 301 gemäß einer Modifizierung.
    • 9 zeigt einen Vergleich zwischen Impulsströmen mit verschiedenen Impulsbreiten.
    • 10 zeigt ein Beispiel von Vergleichsergebnissen zwischen einem Fall, bei dem eine Steuerung zur Verminderung der Anzahl von Impulsen nicht durchgeführt wird, und einem Fall, bei dem eine solche Steuerung durchgeführt wird.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die schematisch ein Beispiel für den Aufbau eines Gassensors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 2 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuereinrichtung 90 und einzelnen Zellen zeigt. Dieser Gassensor 100 ist an einer Leitung, wie z.B. einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, angebracht. Der Gassensor 100 erfasst die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx oder Ammoniak, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas des Verbrennungsmotors. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases. Der Gassensor 100 umfasst ein Sensorelement 101 mit einer länglichen, rechteckigen Parallelepipedform, einzelne Zellen 21, 41, 50 und 80 bis 83, die jeweils einen Teil des Sensorelements 101 umfassen, und die Steuereinrichtung 90, die den gesamten Gassensor 100 steuert.
  • Das Sensorelement 101 ist ein Element, das einen Schichtkörper umfasst, in dem sechs Schichten, nämlich eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, eine Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6, in dieser Reihenfolge von der Unterseite, betrachtet in der Zeichnung, geschichtet sind. Jede der sechs Schichten ist aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht ausgebildet, die beispielsweise Zirkoniumoxid (ZrO2) enthält. Der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, weist eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Dieses Sensorelement 101 wird beispielsweise durch Stapeln von Keramikgrünlagen, die den einzelnen Schichten entsprechen, übereinander, beispielsweise nach einer vorgegebenen Verarbeitung und einem vorgegebenen Schaltkreisstrukturdrucken, und dann Brennen der gestapelten Keramikgrünlagen, so dass sie miteinander vereinigt werden, hergestellt.
  • Ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusionseinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionseinstellabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionseinstellabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionseinstellabschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 sind derart aneinander angrenzend ausgebildet, dass sie in der vorstehend genannten Reihenfolge zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 auf der vorderen Endseite (auf der linken Endseite in der 1) des Sensorelements 101 in Verbindung stehen.
  • Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste Innenraum 20, der zweite Innenraum 40 und der dritte Innenraum 61 bilden einen Raum innerhalb des Sensorelements 101. Der Raum ist derart bereitgestellt, dass ein Abschnitt der Abstandshalterschicht 5 ausgehöhlt ist. Die Oberseite des Raums ist durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt, die Unterseite des Raums ist durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt und Seiten des Raums sind durch Seitenoberflächen der Abstandshalterschicht 5 festgelegt.
  • Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 sind jeweils als zwei seitliche längliche Schlitze bereitgestellt (d.h., die Längsrichtung der Öffnungen ist senkrecht zu der Figur). Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 ist als ein einzelner seitlich länglicher Schlitz bereitgestellt (d.h., die Längsrichtung der Öffnung ist senkrecht zu der Figur), der als Zwischenraum unter der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist. Der Abschnitt, der sich von dem Gaseinlass 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 erstreckt, wird auch als „Messgegenstandsgasströmungsabschnitt“ bezeichnet.
  • Ein Referenzgaseinführungsraum 43 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 an einer Position bereitgestellt, die weiter von der vorderen Endseite entfernt ist als der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt. Der Referenzgaseinführungsraum 43 ist auf beiden Seiten durch die Seitenoberflächen der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt. Als Beispiel eines Referenzgases für die Messung der NOx-Konzentration wird Luft in den Referenzgaseinführungsraum 43 eingeführt.
  • Eine Lufteinführungsschicht 48 ist eine poröse Keramikschicht. Das Referenzgas wird durch den Referenzgaseinführungsraum 43 in die Lufteinführungsschicht 48 eingeführt. Die Lufteinführungsschicht 48 ist so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
  • Die Referenzelektrode 42 ist zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet. Wie es vorstehend beschrieben worden ist, ist die Lufteinführungsschicht 48, die zu dem Referenzgaseinführungsraum 43 führt, um die Referenzelektrode 42 angeordnet. Wie es später beschrieben wird, kann die Referenzelektrode 42 zum Messen der Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) in dem ersten inneren Hohlraum 20, dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem dritten inneren Hohlraum 61 verwendet werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode, die aus Pt und ZrO2 zusammengesetzt ist) ausgebildet.
  • Der Gaseinlass 10 des Messgegenstandsgasströmungsabschnitts liegt zu dem Außenraum frei. Das Messgegenstandsgas wird durch den Gaseinlass 10 von dem Außenraum in das Sensorelement 101 aufgenommen. Der erste Diffusionseinstellabschnitt 11 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, das durch den Gaseinlass 10 eingeführt worden ist. Der Pufferraum 12 ist zum Leiten des Messgegenstandsgases, das durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11 eingeführt worden ist, zu dem zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 bereitgestellt. Der zweite Diffusionseinstellabschnitt 13 übt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas aus, das von dem Pufferraum 12 zu dem ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt worden ist. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll, wird das Messgegenstandsgas, das durch den Gaseinlass 10 aufgrund von Druckschwankungen des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (d.h., Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) rasch in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem die Druckschwankungen des Messgegenstandsgases durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 beseitigt worden sind. Demgemäß können die Druckschwankungen des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll, im Wesentlichen vernachlässigbar gemacht werden. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das über den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch Betreiben einer Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
  • Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer inneren Pumpelektrode 22, die einen oberen Elektrodenabschnitt 22a aufweist, der im Wesentlichen über einem gesamten Abschnitt der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, der auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist, einer äußeren Pumpelektrode 23, die derart auf einem Bereich der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a entspricht, dass sie zu dem Außenraum freiliegt, und einem Abschnitt der zweiten Festelektrolytschicht 6, der sich zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 befindet, ausgebildet ist.
  • Die innere Pumpelektrode 22 ist auf Abschnitten der oberen und der unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4), die den ersten inneren Hohlraum 20 festlegen, und Abschnitten der Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, ausgebildet. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf einem Abschnitt der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, der die obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf einem Abschnitt der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Seitenelektrodenabschnitte (nicht gezeigt) sind auf Abschnitten der Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwände des ersten inneren Hohlraums 20 bilden, so dass der obere Elektrodenabschnitt 22a und der untere Elektrodenabschnitt 22b miteinander verbunden werden. Folglich ist die innere Pumpelektrode 22 als tunnelartige Struktur in dem Bereich bereitgestellt, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte angeordnet sind.
  • Die innere Pumpelektrode 22 enthält ein katalytisch aktives Edelmetall (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Pd, Ru und Ir). Die innere Pumpelektrode 22 enthält auch ein Edelmetall (z.B. Au) mit einem Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität zur Hemmung der katalytischen Aktivität des katalytisch aktiven Edelmetalls in Bezug auf das spezifische Gas. Demgemäß ist die innere Pumpelektrode 22, die mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt kommt, aus einem Material mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf die spezifische Gaskomponente (d.h., NOx) des Messgegenstandsgases zusammengesetzt. Die innere Pumpelektrode 22 ist vorzugsweise aus einem Cermet ausgebildet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (d.h., ZrO2) enthält. Darüber hinaus ist die innere Pumpelektrode 22 vorzugsweise porös. In dieser Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 eine poröse Cermetelektrode, die aus Pt und ZrO2 zusammengesetzt ist und 1 % Au enthält.
  • Entsprechend der inneren Pumpelektrode 22 enthält die äußere Pumpelektrode 23 ein katalytisch aktives Edelmetall. Entsprechend der inneren Pumpelektrode 22 kann die äußere Pumpelektrode 23 ein Edelmetall mit einem Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität enthalten und kann aus einem Cermet ausgebildet sein. Die äußere Pumpelektrode 23 ist vorzugsweise porös. In dieser Ausführungsform ist die äußere Pumpelektrode 23 eine poröse Cermetelektrode, die aus Pt und ZrO2 zusammengesetzt ist.
  • In der Hauptpumpzelle 21 wird die gewünschte Pumpspannung Vp0 derart zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 angelegt, dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 entweder in einer positiven oder negativen Richtung fließt. Folglich kann Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum oder von dem Außenraum zu dem ersten inneren Hohlraum 20 gepumpt werden.
  • Zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 bilden die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, nämlich eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 80 zur Hauptpumpsteuerung.
  • Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 kann durch Messen einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 bestimmt werden. Ferner wird eine Regelung mit der Pumpspannung Vp0 einer variablen Stromquelle 24 derart durchgeführt, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht, wodurch der Pumpstrom Ip0 gesteuert wird. Demgemäß kann die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 bei einem vorgegebenen feststehenden Wert gehalten werden.
  • Der dritte Diffusionseinstellabschnitt 30 erzeugt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand in Bezug auf das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem ersten inneren Hohlraum 20 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt worden ist, und leitet das Messgegenstandsgas in den zweiten inneren Hohlraum 40.
  • Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum zum weiteren Einstellen, unter Verwendung einer Hilfspumpzelle 50, der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) des Messgegenstandsgases bereitgestellt, das durch den dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 eingeführt wird, nachdem der Sauerstoffpartialdruck im Vorhinein in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt worden ist. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 mit einer hohen Genauigkeit bei einem konstanten Wert gehalten werden, so dass der Gassensor 100 die NOx-Konzentration mit einer hohen Genauigkeit messen kann.
  • Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die aus einer Hilfspumpelektrode 51 mit einem oberen Elektrodenabschnitt 51a, der auf im Wesentlichen dem gesamten Abschnitt der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, der auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23 (die äußere Elektrode ist nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt, sondern kann jedwede geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 sein), und der zweiten Festelektrolytschicht 6 zusammengesetzt ist.
  • Die Hilfspumpelektrode 51 ist innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 in einer tunnelartigen Struktur ähnlich der vorstehend genannten inneren Pumpelektrode 22 angeordnet, die in dem ersten inneren Hohlraum 20 bereitgestellt ist. Insbesondere ist die tunnelartige Struktur derart ausgebildet, dass die zweite Festelektrolytschicht 6, die eine obere Oberfläche für den zweiten inneren Hohlraum 40 bereitstellt, mit der oberen Elektrode 51a versehen ist, die erste Festelektrolytschicht 4, die eine untere Oberfläche für den zweiten inneren Hohlraum 40 bereitstellt, mit einer unteren Elektrode 51b versehen ist, und Seitenelektroden (nicht gezeigt), welche die obere Elektrode 51a und die untere Elektrode 51 b verbinden, auf gegenüberliegenden Wandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt sind, die Seitenwände für den zweiten inneren Hohlraum 40 bereitstellen. Die Hilfspumpelektrode 51 ist der inneren Pumpelektrode 22 dahingehend ähnlich, dass sie unter Verwendung eines Materials mit einem abgeschwächten Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas ausgebildet ist.
  • Insbesondere enthält die Hilfspumpelektrode 51 ein katalytisch aktives Edelmetall (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Pd, Ru und Ir). Die Hilfspumpelektrode 51 enthält auch ein Edelmetall (z.B. Au) mit dem vorstehend genannten Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität. Die Hilfspumpelektrode 51 ist vorzugsweise aus einem Cermet ausgebildet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (d.h., ZrO2) enthält. Darüber hinaus ist die Hilfspumpelektrode 51 vorzugsweise porös. In dieser Ausführungsform ist die Hilfspumpelektrode 51 eine poröse Cermetelektrode, die aus Pt und ZrO2 zusammengesetzt ist und 1 % Au enthält.
  • In der Hilfspumpzelle 50 wird die gewünschte Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 angelegt. Folglich kann Sauerstoff von der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum oder von dem Außenraum zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 gepumpt werden.
  • Zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 bilden die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 eine elektrochemische Sensorzelle, nämlich eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle 81 zur Hilfspumpsteuerung.
  • Die Hilfspumpzelle 50 führt ein Pumpen gemäß einer variablen Stromquelle 52 durch, die auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1), die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird, spannungsgesteuert wird. Demgemäß wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die NOx-Messung aufweist.
  • Darüber hinaus wird ein Pumpstrom Ip1 zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 als Steuersignal in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 eingespeist und deren Spannung V0 wird gesteuert, wodurch der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so gesteuert bzw. eingestellt wird, dass er konstant festgelegt ist. In dem Fall einer Anwendung als NOx-Sensor wird die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 gemäß den Funktionen der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem festgelegten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten.
  • Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 erzeugt einen vorgegebenen Diffusionswiderstand in Bezug auf das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in dem zweiten inneren Hohlraum 40 durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 eingestellt worden ist, und leitet das Messgegenstandsgas in den dritten inneren Hohlraum 61. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 60 wirkt dahingehend, dass er die Menge von NOx beschränkt, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
  • Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum für eine Verarbeitung bereitgestellt, die mit der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, das durch den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 eingeführt wird, nachdem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) im Vorhinein in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt worden ist. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch den Betrieb einer Messpumpzelle 41 durchgeführt.
  • Die Messpumpzelle 41 misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. Die Messpumpzelle 41 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die aus einer Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, der äußeren Pumpelektrode 23, der zweiten Festelektrolytschicht 6, der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Die Messelektrode 44 ist eine poröse Cermetelektrode, die aus einem Material mit einem stärkeren Reduktionsvermögen in Bezug auf die NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas als die innere Pumpelektrode 22 zusammengesetzt ist. Die Messelektrode 44 wirkt auch als NOx-Reduktionskatalysator, der das NOx reduziert, das in der Atmosphäre innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt.
  • Insbesondere enthält die Messelektrode 44 ein katalytisch aktives Edelmetall (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Pd, Ru und Ir). Der Gehalt eines Edelmetalls mit dem vorstehend genannten Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität in der Messelektrode 44 ist kleiner als dessen Gehalt in der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpelektrode 51. Die Messelektrode 44 enthält vorzugsweise kein Edelmetall mit dem Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität. Die Messelektrode 44 ist vorzugsweise aus einem Cermet ausgebildet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (d.h., ZrO2) enthält. Darüber hinaus ist die Messelektrode 44 vorzugsweise porös. In dieser Ausführungsform ist die Messelektrode 44 eine poröse Cermetelektrode, die aus Pt, Rh und ZrO2 zusammengesetzt ist.
  • Die Messpumpzelle 41 pumpt Sauerstoff hinaus, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die Messelektrode 44 erzeugt worden ist. Die Menge des erzeugten Sauerstoffs kann als Pumpstrom Ip2 erfasst werden.
  • Um ferner den Sauerstoffpartialdruck um die Messelektrode 44 zu erfassen, bilden die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82. Eine Impulsstromquelle 46 wird auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2) gesteuert, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird. Die Impulsstromquelle 46 wendet den Pumpstrom Ip2, der wiederholt Ein-aus-gesteuert wird, zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 an. Die Impulsstromquelle 46 dient als elektrische Stromquelle. Die Messpumpzelle 41 wird gemäß dieses Pumpstroms Ip2 betrieben.
  • Das Messgegenstandsgas, das zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, erreicht die Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 über den vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 bei einer Bedingung, bei welcher der Sauerstoffpartialdruck eingestellt ist. Das Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas, das die Messelektrode 44 umgibt, wird reduziert (2 NO → N2 + O2), so dass Sauerstoff erzeugt wird. Dann wird der erzeugte Sauerstoff einem Pumpen durch die Messpumpzelle 41 unterzogen. Während des Pumpens des Sauerstoffs wird der Pumpstrom Ip2, der durch die Impulsstromquelle 46 angewandt wird, derart gesteuert, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, einen Zielzustand erreicht. Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zu der Konzentration des Stickstoffoxids in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Stickstoffoxid-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 in der Messpumpzelle 41 berechnet.
  • Eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungsvorrichtung, die als elektrochemische Sensorzelle dient, kann durch Kombinieren der Messelektrode 44, der ersten Festelektrolytschicht 4, der dritten Substratschicht 3 und der Referenzelektrode 42 gebildet werden. Folglich kann eine elektromotorische Kraft gemäß einer Differenz zwischen der Menge von Sauerstoff, die als Ergebnis einer Reduktion der NOx-Komponente in der Atmosphäre, welche die Messelektrode 44 umgibt, erzeugt wird, und der Menge von Sauerstoff, die in Referenzluft enthalten ist, erfasst werden, so dass die Konzentration der NOx-Komponente in dem Messgegenstandsgas entsprechend bestimmt werden kann.
  • Ferner bilden die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 eine elektrochemische Sensorzelle 83. Der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors kann gemäß einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref) erfasst werden, die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird.
  • In dem Gassensor 100 mit dem vorstehenden Aufbau erhält die Messpumpzelle 41 das Messgegenstandsgas, dessen Sauerstoffpartialdruck als Ergebnis des Betreibens der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 konstant bei einem festgelegten niedrigen Wert gehalten wird (d.h., einem Wert, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die NOx-Messung aufweist). Folglich kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2, der durch die Messpumpzelle 41 zum Hinauspumpen von Sauerstoff genutzt wird, der durch eine NOx-Reduktion erzeugt wird, im Wesentlichen proportional zu der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ermittelt werden.
  • Zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten umfasst das Sensorelement 101 ferner einen Heizeinrichtungsabschnitt 70, der als Temperatureinstelleinrichtung zum Erwärmen und Halten der Temperatur des Sensorelements 101 wirkt. Der Heizeinrichtungsabschnitt 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und eine Druckablassöffnung 75.
  • Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist in Kontakt mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ausgebildet. Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist mit einer externen Stromversorgung verbunden, so dass der Heizeinrichtungsabschnitt 70 extern mit Strom versorgt werden kann.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Wiederstand, der zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 durch das Durchgangsloch 73 verbunden. Die Heizeinrichtung 72 wird durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 extern mit Strom versorgt, so dass sie Wärme erzeugt, wodurch der Festelektrolyt, der das Sensorelement 101 bildet, erwärmt und dessen Temperatur gehalten wird.
  • Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet, so dass die Temperatur des gesamten Sensorelements 101 auf eine Temperatur eingestellt werden kann, die den Festelektrolyten aktiviert.
  • Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, welche die obere und die untere Oberfläche der Heizeinrichtung 72 bedeckt, und ist aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, ausgebildet. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist zum Sicherstellen 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.
  • Die Druckablassöffnung 75 erstreckt sich derart durch die dritte Substratschicht 3 und die Lufteinführungsschicht 48, dass sie mit dem Referenzgaseinführungsraum 43 in Verbindung steht. Die Druckablassöffnung 75 ist zum Vermindern einer Zunahme des Innendrucks aufgrund eines Temperaturanstiegs in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ausgebildet.
  • Die Steuereinrichtung 90 ist ein Mikroprozessor, der beispielsweise eine CPU 92 und einen Speicher 94 umfasst. Die Steuereinrichtung 90 erhält die Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 erfasst wird, die Spannung V1, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird, die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, die Spannung Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, den Pumpstrom Ip0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, und den Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird. Ferner gibt die Steuereinrichtung 90 Steuersignale an die variable Stromquelle 24 der Hauptpumpzelle 21, die variable Stromquelle 52 der Hilfspumpzelle 50 und die Impulsstromquelle 46 der Messpumpzelle 41 aus, so dass die Zellen 21, 50 und 41 gesteuert werden.
  • Die Steuereinrichtung 90 führt eine Regelung der Pumpspannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 auf der Basis der Spannung V0 derart durch, dass die Spannung V0 auf einen Zielwert (als „Zielwert V0*“ bezeichnet) eingestellt wird (d.h., zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 auf eine Zielkonzentration). Folglich variiert der Pumpstrom Ip0 abhängig von der Konzentration von Sauerstoff, der in dem Messgegenstandsgas enthalten ist.
  • Die Steuereinrichtung 90 führt auch eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromquelle 52 auf der Basis der Spannung V1 derart durch, dass die Spannung V1 auf einen Zielwert (als Zielwert „V1*“ bezeichnet) eingestellt wird (d.h., zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration, die im Wesentlichen keinen Effekt auf die NOx-Messung aufweist). Darüber hinaus stellt die Steuereinrichtung 90 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 so ein (d.h., führt eine Regelung durch), dass der Pumpstrom Ip1, der gemäß der Spannung Vp1 fließt, auf einen Zielwert eingestellt wird (als Zielwert „Ip1*“ bezeichnet). Demgemäß wird der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionseinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so gesteuert, dass er konstant festgelegt ist. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der im Wesentlichen keinen Effekt auf die NOx-Messung aufweist.
  • Darüber hinaus führt die Steuereinrichtung 90 eine Regelung des Pumpstroms Ip2 der Impulsstromquelle 46 auf der Basis der Spannung V2 derart durch, dass die Spannung V2 auf einen Zielwert (als „Zielwert V2*“ bezeichnet) eingestellt wird (d.h., zum Einstellen der Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 auf eine vorgegebene niedrige Konzentration). Folglich wird Sauerstoff, der als Ergebnis einer Reduktion des NOx in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt, so dass der Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Dann bestimmt die Steuereinrichtung 90 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2, der als Wert gemäß dem Sauerstoff dient, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus dem spezifischen Gas (d.h., NOx) erzeugt worden ist.
  • Der Speicher 94 speichert darin beispielsweise einen Beziehungsausdruck (z.B. eine lineare Funktion) oder ein Kennfeld als Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2 und der NOx-Konzentration. Ein solcher Beziehungsausdruck oder ein solches Kennfeld kann vorwiegend aus Tests erhalten werden.
  • Ein Beispiel dafür, wie der Gassensor 100 mit dem vorstehend beschrieben Aufbau verwendet wird, wird nachstehend beschrieben. Es wird davon ausgegangen, dass die CPU 92 der Steuereinrichtung 90 die vorstehend beschriebenen Pumpzellen 21, 41 und 50 steuert und die Spannungen V0, V1, V2 und Vref von den vorstehend beschriebenen Sensorzellen 80 bis 83 erfasst. In diesem Zustand tritt dann, wenn das Messgegenstandsgas durch den Gaseinlass 10 eingeführt wird, das Messgegenstandsgas zuerst durch den ersten Diffusionseinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionseinstellabschnitt 13 hindurch und erreicht den ersten inneren Hohlraum 20. Dann wird die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas durch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 in dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 eingestellt. Nach dem Einstellen erreicht das Messgegenstandsgas den dritten inneren Hohlraum 61. Die CPU 92 erfasst dann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2 und der Entsprechungsbeziehung, die in dem Speicher 94 gespeichert ist.
  • Der Betrieb der Messpumpzelle 41 und die Steuerung der Messpumpzelle 41 durch die Steuereinrichtung 90 werden hier detailliert beschrieben. Die 3 zeigt zeitliche Änderungen des Pumpstroms Ip2 und der Spannung V2. Der obere Abschnitt von 3 zeigt die zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 und der untere Abschnitt zeigt die zeitliche Änderung der Spannung V2. Bezüglich des Pumpstroms Ip2 ist die Richtung, in der Sauerstoff von der Umgebung der Messelektrode 44 zu der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 hinausgepumpt werden kann, als „positiv“ festgelegt. In der 3 ist die Aufwärtsrichtung der Ordinatenachse als „positive Richtung“ festgelegt. Die positive Richtung des Pumpstroms Ip2 ist die Richtung eines Pfeils des Pumpstroms Ip2 in der 1 und ist die Richtung, in der ein elektrischer Strom von der Messelektrode 44 zu der äußeren Pumpelektrode 23 an der Außenseite des Sensorelements 101 fließt. Bezüglich der Spannung V2 ist ein Zustand, bei dem das elektrische Potenzial der Referenzelektrode 42 höher ist als dasjenige der Messelektrode 44, als „positiv“ festgelegt. In der 3 ist die Aufwärtsrichtung der Ordinatenachse als „positive Richtung“ festgelegt.
  • Die Impulsstromquelle 46 der Messpumpzelle 41 wendet den wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstrom Ip2, d.h., den intermittierenden Pumpstrom Ip2, zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 derart an, dass Sauerstoff von der Umgebung der Messelektrode 44 hinausgepumpt wird. In dieser Ausführungsform ist, wie es in der 3 gezeigt ist, der Pumpstrom Ip2 ein elektrischer Impulswellenstrom, der in Zyklen T wiederholt Ein-aus-gesteuert wird. Beispielsweise wird, wenn der Pumpstrom Ip2 von 0 A bei einem Zeitpunkt t1 ansteigt und zu einem Ein-Modus übergeht, der Pumpstrom Ip2 ein maximaler Strom Ip2max und behält diesen Zustand bei, bis eine EIN-Zeit Tein vergangen ist und ein Zeitpunkt t4 erreicht wird. Wenn der Pumpstrom Ip2 bei dem Zeitpunkt t4 fällt und zu einem Aus-Modus übergeht, erreicht der Pumpstrom Ip2 0 A, bis eine AUS-Zeit Taus vergangen ist und ein Zeitpunkt t7 erreicht ist. Obwohl der tatsächliche Pumpstrom Ip2 einen kurzen Zeitraum benötigt, um von dem Zeitpunkt t1 abzufallen und von dem Zeitpunkt t4 abzufallen, ist dies in der 3 weggelassen. Darüber hinaus kann es einen Fall geben, bei dem ein elektrischer Strom aufgrund des Effekts von beispielsweise einem Rauschen geringfügig fließt, selbst wenn der Pumpstrom Ip2, der von der Impulsstromquelle 46 abgegeben wird, im Aus-Modus vorliegt. Ein solcher Fall ist jedoch in der 3 weggelassen.
  • Wie es vorstehend erwähnt worden ist, führt die CPU 92 der Steuereinrichtung 90 eine Regelung des Pumpstroms Ip2 der Impulsstromquelle 46 auf der Basis der Spannung V2 derart durch, dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 auf die vorgegebene niedrige Konzentration eingestellt wird. Eine Menge des Sauerstoffs, den die Messpumpzelle 41 von dem dritten inneren Hohlraum 61 während eines Zyklus (d.h., dem Zyklus T) gemäß dem Pumpstrom Ip2 hinauspumpt, ist proportional zu einem Durchschnittswert Ip2ave (vgl. eine Einpunkt-Strich-Linie in dem oberen Abschnitt von 3) des Pumpstroms Ip2 während eines Zyklus. Daher variiert beispielsweise die CPU 92 den Durchschnittswert Ip2ave durch Ausgeben eines Steuerungswerts zu der Impulsstromquelle 46 zum Ändern mindestens eines von Parametern, einschließlich des Anteils (d.h., der Einschaltdauer) der EIN-Zeit Tein, die den Zyklus T einnimmt, des Zyklus T und des maximalen Stroms Ip2max. Alternativ kann die CPU 92 den Durchschnittswert Ip2ave als Steuerungswert zu der Impulsstromquelle 46 ausgeben und die Impulsstromquelle 46 kann mindestens einen der vorstehend genannten Parameter auf der Basis des Steuerungswerts variieren. In dieser Ausführungsform gibt die CPU 92 die Einschaltdauer (oder eine Variation der Einschaltdauer) als Steuerungswert zu der Impulsstromquelle 46 aus und die Impulsstromquelle 46 variiert die Einschaltdauer des Pumpstroms Ip2 auf der Basis des Steuerungswerts. Beispielsweise wenn die Spannung V2 kleiner ist als der Zielwert V2*, steuert die CPU 92 die Impulsstromquelle 46 derart, dass sie die Einschaltdauer des Pumpstroms Ip2 erhöht (d.h., zum Verlängern der EIN-Zeit Tein, ohne den Zyklus T zu verändern), wodurch die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 vermindert wird. Die 3 zeigt ein Beispiel, bei dem die zweite EIN-Zeit Tein (zwischen den Zeitpunkten t7 und t8) zweimal so lang ist wie die erste EIN-Zeit Tein (zwischen den Zeitpunkten t1 und t4), so dass der Durchschnittswert Ip2ave in dem zweiten Zyklus T zweimal so groß ist wie in dem ersten Zyklus T. Die 3 zeigt auch, dass bei verdoppeltem Durchschnittswert Ip2ave die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 vermindert wird, so dass die Spannung V2 mit einem Wert V2b' bei einem Zeitpunkt t9 höher ist als mit einem Wert V2b bei dem Zeitpunkt t7.
  • Der Pumpstrom Ip2, der durch die CPU 92 auf diese Weise gesteuert wird, wird schließlich zu einem elektrischen Strom gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus dem spezifischen Gas (d.h., NOx) erzeugt wird. Daher kann die CPU 92 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis dieses Pumpstroms Ip2 bestimmen. Beispielsweise ist ein Wert eines Parameters (d.h., der Einschaltdauer) des Pumpstroms Ip2, der als Steuerungswert durch die CPU 92 verwendet wird, proportional zu de NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Daher kann durch Speichern der Entsprechungsbeziehung zwischen den beiden in dem Speicher 94 die CPU 92 die NOx-Konzentration auf der Basis des Steuerungswerts, der durch die CPU 92 zu der Impulsstromquelle 46 ausgegeben wird, und der Entsprechungsbeziehung, die in dem Speicher 94 gespeichert ist, bestimmen. Entsprechend kann die CPU 92 auch die NOx-Konzentration unter Verwendung eines Werts (z.B. des Durchschnittswerts Ip2ave) bestimmen, der auf der Basis des Steuerungswerts bestimmt worden ist.
  • Die folgende Beschreibung betrifft ein Vergleichsbeispiel, bei dem der Pumpstrom Ip2 ein kontinuierlicher elektrischer Strom ist. Die 4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 900 gemäß einem Vergleichsbeispiel. Die 5 zeigt eine zeitliche Änderung des Pumpstroms Ip2 des Gassensors 900. Komponenten des Gassensors 900, die mit denjenigen des Gassensors 100 identisch sind, werden die gleichen Bezugszeichen wie diejenigen in der 1 zugeordnet und eine detaillierte Beschreibung davon ist weggelassen. Die Definition der Richtung des Pumpstroms Ip2 ist mit derjenigen des Gassensors 100 identisch und die Aufwärtsrichtung der Ordinatenachse in der 5 ist als „positive Richtung“ festgelegt. Ferner ist in der 5 die Wellenform des Pumpstroms Ip2, der in der 3 gezeigt ist, zum Vergleich durch eine Einpunkt-Strich-Linie gezeigt. Der Gassensor 900 umfasst eine Messpumpzelle 941 anstelle der Messpumpzelle 41. Die Messpumpzelle 941 entspricht der Messpumpzelle 41, mit der Ausnahme, dass die Messpumpzelle 941 eine variable Stromquelle 946 anstelle der Impulsstromquelle 46 umfasst. Die variable Stromquelle 946 legt eine Pumpspannung Vp2 zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 an. Demgemäß erhält die Messpumpzelle 941 einen kontinuierlichen Pumpstrom Ip2, wie es in der 5 gezeigt ist. Eine Steuereinrichtung des Gassensors 900 ist nicht gezeigt, entspricht jedoch der Steuereinrichtung 90 dahingehend, dass die Steuereinrichtung die Spannungen V0, V1, V2 und Vref und die Pumpströme Ip0 und Ip1 erhält und Steuersignale zu den variablen Stromquellen 24 und 52 ausgibt. Ferner führt die Steuereinrichtung des Gassensors 900 eine Regelung mit der Pumpspannung Vp2 der variablen Stromquelle 946 auf der Basis der eingespeisten Spannung V2 durch, so dass die Spannung V2 auf einen Zielwert eingestellt wird. Folglich wird Sauerstoff, der als Ergebnis der Reduktion des NOx in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, aus dem dritten inneren Hohlraum 61 durch die Messpumpzelle 941 hinausgepumpt, so dass der Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Beispielsweise wenn die Steuereinrichtung die Regelung der Pumpspannung Vp2 bei jedem Zyklus T identisch mit derjenigen in der 3 durchführen soll, ändert sich der Pumpstrom Ip2, der zu der Messpumpzelle 941 fließt, bei jedem Zyklus T, wie es in der 5 gezeigt ist, während er kontinuierlich fließt. Obwohl der tatsächliche Pumpstrom Ip2 einen kurzen Zeitraum zur vollständigen Änderung bei jedem Zyklus T benötigt, ist dies in der 5 weggelassen. Die Steuereinrichtung des Gassensors 900 erfasst dann den Pumpstrom Ip2 von der Messpumpzelle 941 und berechnet die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis dieses Pumpstroms Ip2.
  • Wenn der Durchschnittswert Ip2ave in der 3 und der Pumpstrom Ip2, der durch eine durchgezogene Linie in der 5 angegeben ist, identisch sind, ist die Menge von Sauerstoff, der aus dem dritten inneren Hohlraum 61 bei jedem Zyklus T hinausgepumpt wird, dieselbe. Daher kann die CPU 92 selbst in einem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 intermittierend angewandt wird, wie dies in dieser Ausführungsform der Fall ist, anstatt dass der Pumpstrom Ip2 wie in dem Vergleichsbeispiel kontinuierlich angewandt wird, nach wie vor die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 einstellen und die NOx-Konzentration messen. Darüber hinaus ist, da der Gassensor 100 die Impulsstromquelle 46 nutzt, die als eine elektrische Stromquelle dient, der Steuerungswert, der durch die CPU 92 zu der Impulsstromquelle 46 ausgegeben wird, ein Wert gemäß dem Pumpstrom Ip2. Daher kann die CPU 92, ohne dass sie den Pumpstrom Ip2 von der Messpumpzelle 41 erhalten muss, den Pumpstrom Ip2 auf der Basis des Steuerungswerts ermitteln, der durch die CPU 92 eingestellt wird, und die NOx-Konzentration bestimmen.
  • In dem Gassensor 100 wird der Pumpstrom Ip2 intermittierend auf die Messpumpzelle 41 angewandt, so dass eine Änderung der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44 aufgrund der Verwendung des Gassensors 100 verglichen mit einem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 kontinuierlich auf die Messpumpzelle 941 angewandt wird, wie im Gassensor 900, verhindert werden kann. Ein denkbarer Grund dafür ist nachstehend beschrieben.
  • Wenn Sauerstoff von der Umgebung der Messelektrode 44 durch Anwenden des Pumpstroms Ip2 zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 hinausgepumpt werden soll, wandelt sich der umgebende Sauerstoff (d.h., Sauerstoff, der vorwiegend als Ergebnis einer NOx-Reduktion erzeugt worden ist) innerhalb der Messelektrode 44 in Sauerstoffionen um (O2 + 4e- → 2 O2-). Die Sauerstoffionen dienen als Elektronenträger und bewegen sich durch die Festelektrolytschichten (d.h., die Schichten 4 bis 6) zu der äußeren Pumpelektrode 23. Während dieses Vorgangs finden dann, wenn der Pumpstrom Ip2 ein kontinuierlicher elektrischer Strom ist, sowohl eine Reaktion, bei der einige Edelmetalle (d.h., Pt und Rh) in der Messelektrode 44 oxidieren, als auch eine Reaktion statt, bei der Sauerstoffionen als Ergebnis einer Reduktion der oxidierten Edelmetalle (d.h., PtO, PtO2 und Rh2O3) freigesetzt werden. Wenn beide Reaktionen einen Gleichgewichtszustand erreichen, liegen einige der Edelmetalle in der Messelektrode 44 in einem permanent oxidierten Zustand vor. Da oxidierte Edelmetalle zu einer leichteren Verdampfung wie vor ihrer Oxidation neigen, neigen die Edelmetalle in der Messelektrode 44 bei der Verwendung des Gassensors 900 zu einer Abnahme, wodurch bewirkt wird, dass die katalytische Aktivität der Messelektrode 44 abnimmt. Darüber hinaus kann die Oxidation der Edelmetalle in der Messelektrode 44 möglicherweise bewirken, dass sich die Mikrostruktur der Messelektrode 44 ändert. Dies kann möglicherweise bewirken, dass die Dreiphasen-Grenzfläche zwischen der Messelektrode 44, den Poren in der Messelektrode 44 und der ersten Festelektrolytschicht 4 oder die Zweiphasen-Grenzfläche zwischen der Messelektrode 44 und der ersten Festelektrolytschicht 4 im Oberflächenbereich vermindert wird, wodurch bewirkt wird, dass die katalytische Aktivität der Messelektrode 44 abnimmt.
  • Andererseits betrifft die folgende Beschreibung einen Fall, bei dem ein intermittierender Pumpstrom Ip2 in dem Gassensor 100 verwendet wird und derart intermittierend auf die Messpumpzelle 41 angewandt wird, dass der intermittierende Pumpstrom Ip2 ein durchschnittlicher elektrischer Strom wird (d.h., der Durchschnittswert Ip2ave), der mit dem kontinuierlichen Pumpstrom Ip2 in dem Gassensor 900 identisch ist. In diesem Fall ist der Pumpstrom Ip2 (d.h., der maximale Strom Ip2max), der auf die Messelektrode 44 während eines Ein-Modus (z.B. zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 in der 3) in dem Gassensor 100 angewandt wird, ein Wert, der größer ist als der kontinuierliche Pumpstrom Ip2 in dem Gassensor 900 (vgl. die 3 und 5). Demgemäß wird der Sauerstoff innerhalb der Messelektrode 44 in Ionen umgewandelt und bewegt sich während des Ein-Modus des intermittierenden Pumpstroms Ip2 t stärker zu der äußeren Pumpelektrode 23 wie wenn der Pumpstrom Ip2 kontinuierlich angewandt wird, so dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Messelektrode 44 abnimmt. In einem solchen Zustand, bei dem die Sauerstoffkonzentration innerhalb der Messelektrode 44 niedrig ist, ist es weniger wahrscheinlich, dass die vorstehend genannten Edelmetalle in der Messelektrode 44 oxidiert werden, und vielmehr kann eine Reduktion von oxidierten Edelmetallen stattfinden. Folglich wird in dem Gassensor 100 eine Abnahme der vorstehend genannten Edelmetalle in der Messelektrode 44, wenn dieser verwendet wird, verglichen mit dem Gassensor 900 unterdrückt. Ferner fließt in dem Gassensor 100 ein elektrischer Strom kaum zu der Messelektrode 44, wenn sich der Pumpstrom Ip2 in einem Aus-Modus befindet (z.B. zwischen den Zeitpunkten t4 und t7 in der 3), so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass eine Oxidation der vorstehend genannten Edelmetalle in der Messelektrode 44 auftritt. Als Ergebnis wird in dem Gassensor 100 eine Oxidation der Edelmetalle in der Messelektrode 44 sowohl in einem Ein-Modus als auch in einem Aus-Modus des Pumpstroms Ip2 unterdrückt. Es ist folglich denkbar, dass eine Verminderung der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44 aufgrund der Verwendung des Gassensors 10 darin verglichen mit dem Gassensor 900 unterdrückt wird. Da eine geringere katalytische Aktivität der Messelektrode 44 zu einer verminderten NOx-Reduktion in dem dritten inneren Hohlraum 61 führt, nimmt der Pumpstrom Ip2 (insbesondere der Durchschnittswert Ip2ave) ab, was zu einer verschlechterten Empfindlichkeit zur Erfassung der NOx-Konzentration führt. In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform kann eine solche verschlechterte Empfindlichkeit zur Erfassung der NOx-Konzentration unter Verwendung desselben verhindert werden. Daher kann der Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform die Messgenauigkeit über einen langen Verwendungszeitraum aufrechterhalten und folglich kann dessen Lebensdauer verlängert werden.
  • Die Spannung V2 ist eine Spannung zwischen der Messelektrode 44 und der Referenzelektrode 42 und ist im Wesentlichen ein Wert gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61. Da sich jedoch das elektrische Potenzial der Messelektrode 44 intermittierend ändert, wenn die Impulsstromquelle 46 den Pumpstrom Ip2 intermittierend darauf anwendet, variiert die Spannung V2 als Reaktion auf diesen Effekt ebenfalls periodisch in einer pulsierenden Weise. Insbesondere weist die Wellenform der Spannung V2 einen ersten Zeitraum, in dem eine Änderung als Ergebnis dessen stattfindet, dass der Pumpstrom Ip2 zu einem Ein-Modus gesteuert wird, und einen zweiten Zeitraum auf, in dem die Änderung als Ergebnis dessen, dass der Pumpstrom Ip2 zu einem Aus-Modus gesteuert wird, abgenommen hat. Beispielsweise beginnt in der 3 in Bezug auf die Spannung V2 eine Änderung (d.h., die Spannung V2 beginnt anzusteigen) ab dem Zeitpunkt t1, ein Wert V2a (d.h., ein maximaler Wert), der einer maximalen Änderung entspricht, wird bei dem Zeitpunkt t4 erreicht, die Änderung beginnt ab dem Zeitpunkt t4 abzunehmen (d.h., die Spannung V2 beginnt zu fallen) und ein Wert V2b (d.h., ein minimaler Wert), bei dem sich die Änderung am stärksten vermindert hat, wird bei dem Zeitpunkt t7 erreicht. In diesem Fall ist der Bereich von dem Wert V2b zu dem Wert V2a der Spannung V2 während der Dauer eines einzelnen Zyklus T des Pumpstroms Ip2 als 0 % bis 100 % festgelegt, und der erste Zeitraum und der zweite Zeitraum der Spannung V2 werden unter Verwendung dieses Bereichs als Referenz eingestellt. Insbesondere ist ein Zeitraum, in dem die Spannung V2 90 % oder höher ist (d.h. zwischen den Zeitpunkten t3 und t5) als der erste Zeitraum festgelegt, und dessen Länge ist als erste Zeitdauer T1 festgelegt. Ein Zeitraum, ab dem der Pumpstrom Ip2 zu einem Aus-Modus gesteuert wird und die Spannung V2 10 % oder niedriger wird, bis zu dem Anstieg der Spannung V2 als Ergebnis dessen, dass der Pumpstrom Ip2 in dem anschließenden Zyklus zu einem Ein-Modus gesteuert wird (d.h. zwischen den Zeitpunkten t6 und t7), ist als ein zweiter Zeitraum festgelegt und dessen Länge ist als zweite Zeitdauer T2 festgelegt. In der 3 erreicht die Spannung V2 den Wert V2a, welcher der ersten maximalen Änderung zu dem Zeitpunkt t4 entspricht, bei dem der Pumpstrom Ip2 zu einem Aus-Modus gesteuert wird. Wenn die EIN-Zeit Tein jedoch lang ist, kann es einen Fall geben, bei dem die Spannung V2 den Wert V2a vor dem Zeitpunkt t4 erreichen kann und bis zu dem Zeitpunkt t4 in diesem Zustand verbleibt.
  • Demgemäß variiert in dieser Ausführungsform die Spannung V2 als Reaktion auf den Effekt des Pumpstroms Ip2 periodisch. Während des zweiten Zeitraums ist der Effekt, den der Pumpstrom Ip2 auf die Spannung V2 aufweist, verglichen mit dem ersten Zeitraum geringer. Daher ist die Spannung V2 während des zweiten Zeitraums ein Wert, der die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 genauer angibt als die Spannung V2 während des ersten Zeitraums. Demgemäß führt die CPU 92 vorzugsweise die vorstehend beschriebene Steuerung des Pumpstroms Ip2 auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums durch. Folglich kann die CPU 92 die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 nahe an der vorgegebenen niedrigen Konzentration genau einstellen und kann auch die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas genau bestimmen. In dieser Ausführungsform erfasst die CPU 92 die Spannung V2 während des zweiten Zeitraums, vergleicht die erfasste Spannung V2 mit dem Zielwert V2* und stellt den Steuerungswert ein, der zu der Impulsstromquelle 46 ausgegeben werden soll. Ferner ändert sich, wie es in der 3 gezeigt ist, auch die Spannung V2 während des zweiten Zeitraums und der Effekt des Pumpstroms Ip2 neigt zum Ende des zweiten Zeitraums zu einer Abnahme (d.h., zu dem Zeitpunkt t7 in der 3). Dies ist vermutlich auf den Effekt einer Kapazitätskomponente in der Messpumpzelle 41, wie z.B. einer Kapazitätskomponente der Messelektrode 44, zurückzuführen. Folglich steuert die CPU 92 vorzugsweise den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 bei dem spätestmöglichen Zeitpunkt in dem zweiten Zeitraum. Beispielsweise kann die CPU 92 den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 zu jedem Zeitpunkt in der späteren Hälfte des zweiten Zeitraums steuern.
  • Die CPU 92 kann den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums in jedem einer Mehrzahl von Zyklen T steuern (z.B. auf der Basis eines Durchschnittswerts einer Mehrzahl von Spannungen V2, die in verschiedenen Zyklen erfasst worden sind). Beispielsweise kann, wenn der Pumpstrom Ip2 nur auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums in einem Zyklus gesteuert wird, die Steuerung des Pumpstroms Ip2 beispielsweise aufgrund einer Schwankung oder einer Abweichung des tatsächlichen Durchschnittswerts Ip2ave relativ zu dem richtigen Durchschnittswert Ip2ave, welcher der NOx-Konzentration entspricht, manchmal instabil werden. Im Gegensatz dazu steuert die CPU 92 den Pumpstrom Ip2 beispielsweise auf der Basis des Durchschnittswerts der Spannungen V2 während der zweiten Zeiträume in der Mehrzahl von Zyklen T, so dass es weniger wahrscheinlich ist, dass die Steuerung instabil wird. In dieser Ausführungsform speichert die CPU 92 die Spannung V2 in dem Speicher 94 bei einem vorgegebenen Zeitpunkt während des zweiten Zeitraums für jeden Zyklus T und steuert den Pumpstrom Ip2 auf der Basis eines Durchschnittswerts, der ein Mehrfaches (z.B. das Dreifache) der zuletzt gespeicherten Spannungen V2 ist.
  • Die CPU 92 kann die Hauptpumpzelle 21 auf der Basis der Spannung V0 während des zweiten Zeitraums der Spannung V2 steuern. Entsprechend kann die CPU 92 die Hilfspumpzelle 50 auf der Basis der Spannung V1 während des zweiten Zeitraums der Spannung V2 steuern. Die CPU 92 kann den Zielwert V0* auf der Basis des Pumpstroms Ip1 während des zweiten Zeitraums der Spannung V2 einstellen.
  • Die Entsprechungsbeziehung zwischen den Komponenten in dieser Ausführungsform und den Komponenten in der vorliegenden Erfindung wird nachstehend erläutert. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 gemäß dieser Ausführungsform entsprechen einem Elementkörper gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Messpumpzelle 41 entsprechen jeweils einer Pumpzelle. Die innere Pumpelektrode 22, die Hilfspumpelektrode 51 und die Messelektrode 44 entsprechen jeweils einer inneren Elektrode. Die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Elektrode. Ferner entspricht die innere Pumpelektrode 22 einer inneren Hauptpumpelektrode, die Hilfspumpelektrode 51 entspricht einer inneren Hilfspumpelektrode, die Messelektrode 44 entspricht einer inneren Messelektrode, die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer äußeren Hauptpumpelektrode, einer äußeren Hilfspumpelektrode und einer äußeren Messelektrode, und der dritte innere Hohlraum 61 entspricht einer Messkammer. Darüber hinaus entspricht der Pumpstrom Ip2 einem Messpumpstrom, die Spannung V2 entspricht einer Messspannung, die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 entspricht einer Messspannung-Erfassungsvorrichtung und die Steuereinrichtung 90 entspricht einer Messpumpzelle-Steuervorrichtung und einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases.
  • Der Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, umfasst die Hauptpumpzelle 21, die Hilfspumpzelle 50 und die Messpumpzelle 41 als eine oder mehrere Pumpzelle(n). Die Hauptpumpzelle 21 weist die innere Pumpelektrode 22 auf, die in dem ersten inneren Hohlraum 20 angeordnet ist, und weist auch die äußere Pumpelektrode 23 auf, und pumpt Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum 20 hinaus. Die Hilfspumpzelle 50 weist die Hilfspumpelektrode 51 auf, die in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf der stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums 20 angeordnet ist, und weist auch die äußere Pumpelektrode 23 auf, und pumpt Sauerstoff aus dem zweiten inneren Hohlraum 40 hinaus. Die Messpumpzelle 41 weist die Messelektrode 44 auf, die in dem dritten inneren Hohlraum 61 auf der stromabwärtigen Seite des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet ist, und weist auch die äußere Pumpelektrode 23 auf und pumpt Sauerstoff hinaus, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus NOx in dem Messgegenstandsgas erzeugt worden ist. Von diesen Pumpzellen wendet die Messpumpzelle 41 den wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstrom Ip2 zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 an, so dass Sauerstoff um die Messelektrode 44 hinausgepumpt wird. Demgemäß kann der Gassensor 100 eine Änderung (d.h., eine Verminderung) der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44 durch dessen Verwendung verglichen mit einem Fall verhindern, bei dem der Pumpstrom Ip2 kontinuierlich zwischen der Messelektrode 44 und der äußeren Pumpelektrode 23 angewandt wird, wie dies in dem Gassensor 900 der Fall ist. Der wiederholt Ein-aus-gesteuerte Pumpstrom Ip2 weist einen höheren Spitzenwert (d.h., den maximalen Strom Ip2max) auf als der kontinuierliche Pumpstrom Ip2, und erreicht folglich ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) und ist gegen ein Rauschen beständig.
  • Von den Pumpzellen 21, 50 und 41 arbeitet die Messpumpzelle 41 durch die Verwendung eines intermittierenden Pumpstroms (d.h., des Pumpstroms Ip2). Eine Änderung der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44 weist einen größeren Effekt auf die Empfindlichkeit zur Erfassung der NOx-Konzentration des Gassensors 100 auf als eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51. Daher kann eine Verschlechterung der Erfassungsempfindlichkeit durch Verhindern einer Änderung der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44 einfach minimiert werden.
  • Ferner steuert die CPU 92 den Pumpstrom Ip2 auf der Basis der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums, so dass die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 auf die vorgegebene niedrige Konzentration eingestellt wird. Dann erfasst die CPU 92 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2. Demgemäß kann die CPU 92 die NOx-Konzentration genau erfassen.
  • Die vorliegende Erfindung ist in keinerlei Weise auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt und verschiedene Ausführungsformen sind möglich, solange sie vom technischen Umfang der vorliegenden Erfindung umfasst sind.
  • Beispielsweise ist, obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der intermittierende Pumpstrom Ip2 ein elektrischer Strom mit einer Rechteckwelle pro Zyklus ist (d.h., ein Rechteck-Einzelimpulsstrom), wie es in der 3 gezeigt ist, die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Impulsstromquelle 46 einen Impulsfolgestrom, wie er in der 6 gezeigt ist, als den intermittierenden Pumpstrom Ip2 nutzen. In diesem Fall kann die CPU 92 den Durchschnittswert Ip2ave des Pumpstroms Ip2 während eines Zyklus durch Ausgeben eines Steuerungswerts zu der Impulsstromquelle 46 zum Ändern mindestens eines von Parametern, einschließlich des Anteils (d.h., der Einschaltdauer) eines Schwingungszeitraums TA, der einen Zyklus T (d.h., eine Zyklusfolge) einnimmt, des Zyklus T, der Anzahl von Impulsen während eines Zyklus (d.h., fünf Impulse in der 6), einer Zeit Ta einer einzelnen Schwingung (d.h., Impuls), eines Impulszyklus (Ta + Tb) und des maximalen Stroms Ip2max variieren.
  • In dem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 ein Impulsfolgestrom ist, wie dies in der 6 der Fall ist, ist der erste Zeitraum der Spannung V2 in den Schwingungszeitraum TA einbezogen und der zweite Zeitraum ist in einen Nicht-Schwingungszeitraum TB einbezogen. Insbesondere wird in dem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 ein Impulsfolgestrom ist, der Schwingungszeitraum TA als ein Ein-Zeitraum (d.h., zwischen den Zeitpunkten t1 und t4 in der 3) des Pumpstroms Ip2 betrachtet, der Nicht-Schwingungszeitraum TB wird als ein Aus-Zeitraum (d.h., zwischen den Zeitpunkten t4 und t7 in der 3) des Pumpstroms Ip2 betrachtet und der zweite Zeitraum wird auf der Basis eines Verfahrens festgelegt, das demjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entspricht.
  • Obwohl die Impulsstromquelle 46 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform einen Rechteckwellen-Impulsstrom als Pumpstrom Ip2 anwendet, wie es in der 3 gezeigt ist, ist der anzuwendende Impulsstrom nicht auf einen Rechteckwellen-Impulsstrom beschränkt und kann eine sinusförmige Halbwellenform, eine Dreieckwellenform, eine Sägezahnwellenform oder eine Wellenform zum Zeitpunkt einer Entladung aufweisen, oder kann eine Wellenform aufweisen, die durch Kombinieren einer oder mehrerer dieser Wellenformen erhalten wird.
  • Obwohl dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform nicht spezifisch beschrieben ist, kann jeder Zyklus T des intermittierenden Pumpstroms Ip2 in der 3 und 6 beispielsweise 0,1 s oder kürzer (d.h., eine Frequenz von 10 Hz oder höher), 0,02 s oder kürzer (d.h., eine Frequenz von 50 Hz oder höher) oder 0,001 s oder kürzer (d.h., eine Frequenz von 100 Hz oder höher) sein. Beispielsweise in einem Fall, bei dem die Steuereinrichtung 90 die bestimmte NOx-Konzentration zu einer anderen Vorrichtung ausgibt, wie z.B. einem Motor-ECU eines Fahrzeugs, ist bei jedem vorgegebenen Zyklus Taus der Zyklus T vorzugsweise kürzer als oder gleich 1/10 des Zyklus Taus.
  • Obwohl die Messpumpzelle 41 von den Pumpzellen 21, 50 und 41, die in den Gassensor 100 einbezogen sind, in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch Nutzen eines intermittierenden Pumpstroms (d.h., des Pumpstroms Ip2) arbeitet, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Mindestens eine der Pumpzellen, die in den Gassensor 100 einbezogen sind, kann einfach durch Nutzen eines intermittierenden Pumpstroms arbeiten. Beispielsweise können die Hauptpumpzelle 21 und die Messpumpzelle 41 durch Nutzen eines intermittierenden Pumpstroms arbeiten. Die 7 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung. Komponenten des Gassensors 200, die mit denjenigen des Gassensors 100 identisch sind, werden mit den gleichen Bezugszeichen wie denjenigen in der 1 bezeichnet, und eine detaillierte Beschreibung davon ist weggelassen. Der Gassensor 200 umfasst eine Hauptpumpzelle 221 anstelle der Hauptpumpzelle 21 und umfasst eine Hilfspumpzelle 250 anstelle der Hilfspumpzelle 50. Die Hauptpumpzelle 221 entspricht der Hauptpumpzelle 21, mit der Ausnahme, dass die Hauptpumpzelle 221 eine Impulsstromquelle 224, die als elektrische Stromquelle entsprechend der Impulsstromquelle 46 dient, anstelle der variablen Stromquelle 24 umfasst. Die Hilfspumpzelle 250 entspricht der Hilfspumpzelle 50, mit der Ausnahme, dass die Hilfspumpzelle 250 eine Impulsstromquelle 252, die als elektrische Stromquelle entsprechend der Impulsstromquelle 46 dient, anstelle der variablen Stromquelle 52 umfasst. In dem Gassensor 200 gemäß dieser Modifizierung wendet die Hauptpumpzelle 221 einen intermittierenden Impulsstrom an, so dass eine Änderung der katalytischen Aktivität der inneren Pumpelektrode 22 aufgrund der Verwendung des Gassensors 100 verhindert werden kann. Darüber hinaus wendet die Impulsstromquelle 252 einen intermittierenden Impulsstrom derart an, dass eine Änderung der katalytischen Aktivität der Hilfspumpelektrode 51 aufgrund der Verwendung des Gassensors 100 verhindert werden kann. Wie es vorstehend erwähnt worden ist, enthält die innere Pumpelektrode 22 ein katalytisch aktives Edelmetall und ein Edelmetall mit dem Vermögen zur Hemmung der katalytischen Aktivität. Daher ist es, wenn ein Edelmetall in der inneren Pumpelektrode 22 oxidiert und verdampft, denkbar, dass sich das Sauerstoffpumpvermögen der Hauptpumpzelle 21 aufgrund einer Abnahme der katalytischen Aktivität der inneren Pumpelektrode 22 verschlechtert, oder dass die innere Pumpelektrode 22 das NOx in dem ersten inneren Hohlraum 20 aufgrund einer Zunahme der katalytischen Aktivität zersetzen kann. Da jeder Fall für den Gassensor 100 nicht bevorzugt ist, ist es signifikant, eine solche Änderung (d.h., eine Zunahme oder Abnahme) der katalytischen Aktivität der inneren Pumpelektrode 22 zu verhindern. Das Gleiche gilt für die Hilfspumpelektrode 51. In einem Fall, bei dem die Hauptpumpzelle 221 Sauerstoff durch die Verwendung eines intermittierenden Impulsstroms von der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 in den ersten inneren Hohlraum 20 pumpt, ist es denkbar, dass eine Änderung der katalytischen Aktivität der äußeren Pumpelektrode 23 verhindert werden kann. Beispielsweise steuert in einem Fall, bei dem die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas niedriger ist als die vorstehend genannte Ziel-Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 (einschließlich einen Fall einer fetten Atmosphäre), die Steuereinrichtung 90 die Impulsstromquelle 224 derart, dass die Hauptpumpzelle 221 Sauerstoff von der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 in den ersten inneren Hohlraum 20 pumpt. In diesem Fall kann die Steuereinrichtung 90 die positiven und negativen Vorzeichen von Impulsen der Impulsstromquelle 224 invertieren, so dass sie zwischen einem Modus, bei dem die Hauptpumpzelle 221 Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 hinauspumpt, und einem Modus, bei dem die Hauptpumpzelle 221 Sauerstoff in den ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpt, umschaltet. Demgemäß kann ein negativer Impulsstrom (d.h., ein Impuls, dessen elektrischer Stromwert von Null auf einen negativen Wert fällt) anstelle eines positiven Impulsstroms, wie in den 3 und 6, angewandt werden.
  • Selbst in einem Fall, bei dem wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein kontinuierlicher Pumpstrom Ip0 auf die Hauptpumpzelle 21 angewandt wird, kann eine elektrische Stromquelle anstelle der variablen Stromquelle 24 verwendet werden und der Pumpstrom Ip0 kann direkt durch die elektrische Stromquelle variiert werden. Entsprechend kann selbst in einem Fall, bei dem wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein kontinuierlicher Pumpstrom Ip1 auf die Hilfspumpzelle 50 angewandt wird, eine elektrische Stromquelle anstelle der variablen Stromquelle 52 verwendet werden, und der Pumpstrom Ip1 kann direkt durch die elektrische Stromquelle variiert werden.
  • Obwohl das Sensorelement 101 des Gassensors 100 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform den ersten inneren Hohlraum 20, den zweiten inneren Hohlraum 40 und den dritten inneren Hohlraum 61 umfasst, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann der dritte innere Hohlraum 61 weggelassen werden, wie dies in einem Sensorelement 301 in der 8 der Fall ist. In dem Sensorelement 301 gemäß einer Modifizierung, die in der 8 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 in dieser Reihenfolge nebeneinander in einer verbundenen Weise zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt. Die Messelektrode 44 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet. Die Messelektrode 44 ist durch einen vierten Diffusionseinstellabschnitt 45 bedeckt. Der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 ist ein Film, der aus einem porösen Keramikkörper ausgebildet ist, der beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3) zusammengesetzt ist. Entsprechend dem vierten Diffusionseinstellabschnitt 60 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 eine Funktion des Beschränkens der Menge von NOx auf, das zu der Messelektrode 44 strömt. Darüber hinaus wirkt der vierte Diffusionseinstellabschnitt 45 auch als Schutzfilm für die Messelektrode 44. Die obere Elektrode 51a der Hilfspumpelektrode 51 ist so bereitgestellt, dass sie sich zu einer Position direkt oberhalb der Messelektrode 44 erstreckt. Das Sensorelement 301 mit einem solchen Aufbau entspricht dahingehend demjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, dass es die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2 erfassen kann. In diesem Fall wirkt der Raum, der die Messelektrode 44 umgibt (d.h., das Innere des vierten Diffusionseinstellabschnitts 45), als Messkammer.
  • Obwohl die äußere Pumpelektrode 23 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform als eine äußere Hauptpumpelektrode der Hauptpumpzelle 21, eine äußere Hilfspumpelektrode der Hilfspumpzelle 50 und eine äußere Messelektrode der Messpumpzelle 41 dient, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Jedwede oder zwei der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode und der äußeren Messelektrode kann oder können an der Außenseite des Sensorelements 101 unabhängig von der äußeren Pumpelektrode 23 bereitgestellt sein.
  • Obwohl der Elementkörper des Sensorelements 101 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ein Stapel ist, der eine Mehrzahl von Festelektrolytschichten umfasst (die Schichten 1 bis 6), ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen und einen Messgegenstandsgasströmungsabschnitt innerhalb des Elementkörpers aufweisen. Beispielsweise können die Schichten 1 bis 5, die von der zweiten Festelektrolytschicht 6 in der 1 verschieden sind, Schichten sein, die aus Materialien ausgebildet sind, die von Festelektrolyten verschieden sind (z.B. Aluminiumoxidschichten). In diesem Fall können die Elektroden des Sensorelements 101 auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Beispielsweise kann die Messelektrode 44 in der 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Referenzgaseinführungsraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 und nicht in der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet sein. Die Lufteinführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 und nicht zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 angeordnet sein. Die Referenzelektrode 42 kann auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 auf der Rückseite des dritten inneren Hohlraums 61 angeordnet sein.
  • Obwohl der Gassensor 100 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die NOx-Konzentration als Konzentration eines spezifischen Gases erfasst, kann die Konzentration eines spezifischen Gases alternativ die Konzentration eines weiteren Oxids sein. In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist, wird Sauerstoff entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform als Ergebnis der Reduktion des spezifischen Gases selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt. Folglich kann die CPU 92 die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis eines Erfassungswerts (z.B. des Durchschnittswerts Ip2ave) gemäß diesem Sauerstoff erfassen. Alternativ kann das spezifische Gas ein Nicht-Oxid, wie z.B. Ammoniak, sein. In einem Fall, bei dem das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird das spezifische Gas beispielsweise in dem ersten inneren Hohlraum 20 in ein Oxid umgewandelt (d.h., wird in dem Fall von Ammoniak durch eine Oxidation in NO umgewandelt), so dass nach der Umwandlung als Ergebnis der Reduktion des Oxids in dem dritten inneren Hohlraum 61 Sauerstoff erzeugt wird. Folglich kann die CPU 92 einen Erfassungswert gemäß diesem Sauerstoff erfassen und die Konzentration eines spezifischen Gases erfassen. Demgemäß kann unabhängig davon, ob das spezifische Gas ein Oxid oder ein Nicht-Oxid ist, der Gassensor 100 die Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis von Sauerstoff erfassen, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist.
  • Als Alternative zu der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, in der die Steuereinrichtung 90 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart einstellt (d.h., eine Regelung durchführt), dass der Pumpstrom Ip1 auf den Zielwert Ip1* eingestellt wird, und eine Regelung der Pumpspannung Vp0 derart durchführt, dass die Spannung V0 auf den Zielwert V0* eingestellt wird, kann die Steuereinrichtung 90 eine andere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 90 eine Regelung der Pumpspannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip1 auf den Zielwert Ip1* eingestellt wird. Insbesondere kann die Steuereinrichtung 90 die Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 und das Einstellen des Zielwerts V0* weglassen und kann die Pumpspannung Vp0 (und folglich den Pumpstrom Ip0) auf der Basis des Pumpstroms Ip1 direkt steuern.
  • Obwohl in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Pumpspannung Vp2 der Impulsstromquelle 46 derart gesteuert wird, dass die Spannung V2, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82 erfasst wird, den Zielwert V2* erreicht, und die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2 zu diesem Zeitpunkt berechnet wird, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die CPU 92 eine Regelung der Messpumpzelle 41 derart durchführen (z.B. die Pumpspannung Vp2 steuern), dass der Durchschnittswert Ip2ave, der in der 3 gezeigt ist, auf einen vorgegebenen Zielwert Ip2* eingestellt wird, und kann die NOx-Konzentration unter Verwendung der Spannung V2 zu diesem Zeitpunkt berechnen. Wenn die Messpumpzelle 41 derart gesteuert wird, dass der Durchschnittswert Ip2ave der Zielwert Ip2* wird, wird Sauerstoff von dem dritten inneren Hohlraum 61 im Durchschnitt bei einer im Wesentlichen festgelegten Flussrate hinausgepumpt, oder mit anderen Worten bezüglich eines längeren Zeitraums als der Zyklus T. Daher ändert sich die Sauerstoffkonzentration in dem dritten inneren Hohlraum 61 gemäß der Menge von Sauerstoff, die als Ergebnis einer Reduktion des NOx in dem Messgegenstandsgas in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird, so dass entsprechend eine Änderung der Spannung V2 verursacht wird. Demgemäß erreicht die Spannung V2 einen Wert gemäß der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Folglich kann die NOx-Konzentration auf der Basis dieser Spannung V2 berechnet werden. Beispielsweise kann die Entsprechungsbeziehung zwischen der Spannung V2 und der NOx-Konzentration im Vorhinein in dem Speicher 94 gespeichert werden. Darüber hinaus nutzt die CPU 92 den Wert der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums als Wert der Spannung V2 zum Berechnen der NOx-Konzentration. Wie es vorstehend erwähnt worden ist, ist der Effekt, den der Pumpstrom Ip2 auf die Spannung V2 aufweist, während des zweiten Zeitraums gering. Daher kann die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung der Spannung V2 während des zweiten Zeitraums genau erfasst werden.
  • In den 3 und 6 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Wellenform des elektrischen Stroms in einem Fall rechteckig, bei dem der Pumpstrom Ip1 ein Impulsstrom ist. Wie es vorstehend erwähnt worden ist, benötigt ein Impulsstrom jedoch einen kurzen Zeitraum für einen Anstieg und Abfall. Insbesondere weist ein Impulsstrom in der Praxis eine Anstiegszeit und eine Abfallzeit auf und die Wellenform eines Impulsstroms ist kein perfektes Rechteck. Daher kann, beispielsweise wie es in einer vergrößerten Ansicht eines Impulsstroms in dem oberen Abschnitt von 9 gezeigt ist, wenn die Impulsbreite des Impulsstroms zu gering ist, der tatsächliche Spitzenwert des Impulsstroms (d.h., der Spitzenwert der Wellenform, der durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) aufgrund des Effekts der Anstiegszeit manchmal nicht den Spitzenwert einer ideal Rechteckwellenform (d.h., den Spitzenwert der Wellenform, die durch eine durchgezogene Linie angegeben ist) erreichen. In diesem Fall wird beispielsweise selbst dann, wenn die CPU 92 die vorstehend genannte Regelung auf der Basis der Spannung V2 und des Zielwerts V2* durchführt und einen Steuerungswert zu der Impulsstromquelle 46 ausgibt, so dass der Durchschnittswert Ip2ave auf einen bestimmten Zielwert eingestellt wird (als „durchschnittlicher Zielstrom Ip2ave*“ bezeichnet), der tatsächliche Durchschnittswert Ip2ave kleiner als der theoretische Durchschnittswert Ip2ave, so dass bewirkt wird, dass der tatsächliche Durchschnittswert Ip2ave von dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* abweicht. Die Steuereinrichtung 90 kann deshalb manchmal nicht in der Lage sein, die Messpumpzelle 41 in einer geeigneten Weise zu steuern, oder das S/N-Verhältnis des Pumpstroms Ip2 kann manchmal abnehmen. Im Gegensatz dazu erreicht, beispielsweise wie es in einer vergrößerten Ansicht eines Impulsstroms in dem unteren Abschnitt von 9 gezeigt ist, wenn die Impulsbreite des Impulsstroms groß ist, der tatsächliche Spitzenwert des Impulsstroms (d.h., der Spitzenwert der Wellenform, die durch eine gestrichelte Linie angegeben ist) den Spitzenwert einer idealen Rechteckwellenform (d.h., den Spitzenwert der Wellenform, die durch eine durchgezogene Linie angegeben ist), selbst wenn die Anstiegszeit vorliegt. Daher ist es dann, wenn die Impulsbreite groß ist, weniger wahrscheinlich, dass der tatsächliche Durchschnittswert Ip2ave von dem theoretischen Durchschnittswert Ip2ave und dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* abweicht. Folglich steuert die Steuereinrichtung 90 vorzugsweise die Messpumpzelle 41 derart, dass die Impulsbreite des Pumpstroms Ip2 nicht zu klein wird, und zwar in einem Ausmaß, dass der tatsächliche Spitzenwert nicht den Spitzenwert der idealen Rechteckwellenform erreicht. Mit anderen Worten, die Steuereinrichtung 90 steuert vorzugsweise den Pumpstrom Ip2 in einem Bereich, bei dem die Impulsbreite des Pumpstroms Ip2 nicht unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert fällt. Beispielsweise wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* gering ist, vermindert die Steuereinrichtung 90 vorzugsweise die Anzahl der Impulse. Durch Vermindern der Anzahl von Impulsen wird die Impulsbreite zum Anwenden des Pumpstroms Ip2 gemäß dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* erhöht, so dass eine Abnahme der Impulsbreite verhindert werden kann. In dem Beispiel in der 9 ist die Impulsbreite der Wellenform in dem oberen Abschnitt gering, so dass der Durchschnittswert Ip2ave und der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* voneinander abweichen. Durch Verwenden der Wellenform in dem unteren Abschnitt als Alternative ist es jedoch weniger wahrscheinlich, dass der Durchschnittswert Ip2ave und der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* voneinander abweichen. Die 9 zeigt einen Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 entsprechend der 6 ein Impulsfolgestrom ist, und die Wellenform in dem oberen Abschnitt weist sechs Impulse pro Zyklus auf, wohingegen die Anzahl von Impulsen in der Wellenform in dem unteren Abschnitt auf zwei vermindert ist. Stattdessen ist die Impulsbreite (d.h., die Zeit Ta pro Impuls) der Wellenform in dem unteren Abschnitt von 9 das Dreifache von derjenigen der Wellenform in dem oberen Abschnitt, so dass der ideale Durchschnittswert Ip2ave zwischen der Wellenform in dem oberen Abschnitt und der Wellenform in dem unteren Abschnitt nicht variiert wird. In der Wellenform in dem unteren Abschnitt von 9 ist das Impulsfolgeintervall (Tb in der 9) erhöht (insbesondere um den Faktor 3). Die folgende Beschreibung betrifft ein Beispiel eines Verfahrens, das durch die Steuereinrichtung 90 in einem Fall durchgeführt wird, bei dem die Anzahl von Impulsen des Pumpstroms Ip2 vermindert ist, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* gering ist. Beispielsweise führt die Steuereinrichtung 90 wiederholt ein Verfahren durch, welches das Einstellen des durchschnittlichen Zielstroms Ip2ave* durch Durchführen einer Regelung auf der Basis der Spannung V2 und des Zielwerts V2* und das Steuern der Messpumpzelle 41 derart, dass der Durchschnittswert Ip2ave auf den eingestellten durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* eingestellt wird, umfasst. In diesem Fall wird dann, wenn der Wert des eingestellten durchschnittlichen Zielstroms Ip2ave* ein Wert ist, der in einen vorgegebenen niedrigen Stromwert einbezogen ist (z.B. ein Wert, der kleiner ist als ein vorgegebener Schwellenwert), die Messpumpzelle 41 so gesteuert, dass ein Pumpstrom Ip2 mit einer verminderten Anzahl von Impulsen angewandt wird, und zwar verglichen mit einem Fall, bei dem der Wert des eingestellten durchschnittlichen Zielstroms Ip2ave* ein Wert ist, der nicht in den vorgegebenen niedrigen Strombereich einbezogen ist (z.B. ein Wert, der größer als der vorgegebene Schwellenwert oder mit diesem identisch ist). Die 10 zeigt ein Beispiel für Vergleichsergebnisse zwischen einem Fall, bei dem eine Steuerung zur Verminderung der Anzahl von Impulsen nicht durchgeführt wird (d.h., die Tabelle auf der linken Seite), und einem Fall, bei dem eine solche Steuerung durchgeführt wird (d.h., die Tabelle auf der rechten Seite). Die 10 zeigt die Höhe, die Breite und die Anzahl von Impulsen des Pumpstroms Ip2, der durch die Steuereinrichtung 90 derart eingestellt worden ist, dass der Durchschnittswert Ip2ave der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* in einem Fall wird, bei dem der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* zwischen 0,06 µA und 6 µA variiert wird. Der Pumpstrom Ip2 ist ein Impulsfolgestrom entsprechend 6 und 9, wobei die Impulshöhe Ip2max in den 6 und 9 entspricht, die Breite Ta in der 6 und 9 entspricht und die Anzahl von Impulsen der Anzahl von Impulsen pro Zyklus entspricht. Darüber hinaus sind das Vorliegen und das Fehlen einer Abweichung zwischen dem tatsächlichen Durchschnittswert Ip2ave und dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* in einem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 mit der eingestellten Impulshöhe, -breite und -Anzahl angewandt wird, ebenfalls gezeigt. Wie es auf der linken Seite von 10 gezeigt ist, ist in einem Fall, bei dem die Steuerung zur Verminderung der Anzahl von Impulsen nicht durchgeführt wird und die Anzahl von Impulsen auf 3 festgelegt ist, die eingestellte Impulsbreite ein kleiner Wert unter 10 µA, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* kleiner als 0,15 µA ist. Der tatsächliche Durchschnittswert Ip2ave ist in diesem Fall kleiner als der ideale Durchschnittswert Ip2ave und weicht von dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* ab. Im Gegensatz dazu hat in dem Beispiel auf der rechten Seite von 10 die Steuereinrichtung 90 die Steuerung zur Verminderung der Anzahl von Impulsen auf 1 durchgeführt, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* niedriger als 0,15 µA ist. Als Ergebnis wird dann, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* niedriger als 0,15 µA ist, die eingestellte Anzahl von Impulsen auf 1 vermindert, so dass die Impulsbreite auf einen Wert, der größer als oder gleich 10 µm ist, als Wert eingestellt wird, der zum Erreichen des durchschnittlichen Zielstroms Ip2ave* erforderlich ist. Insbesondere wird die Impulsbreite auf einen größeren Wert eingestellt als derjenige in der Tabelle auf der linken Seite von 10 und die Impulsbreite fällt nicht unter 10 µm. Als Ergebnis ist selbst dann, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* niedriger als 0,15 µA ist, zwischen dem tatsächlichen Durchschnittswert Ip2ave und dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* keine Abweichung aufgetreten. In der 10 ist auch die NO-Konzentration gezeigt, die dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* entspricht. In dem Beispiel auf der linken Seite von 10 weicht der tatsächliche Durchschnittswert Ip2ave von dem durchschnittlichen Zielstrom Ip2ave* ab, wenn der durchschnittliche Zielstrom Ip2ave* niedriger als 0,15 µA ist, d.h., wenn die NO-Konzentration eine niedrige Konzentration unter 50 ppm ist, wodurch es schwierig wird, die Messpumpzelle 41 in einer geeigneten Weise zu steuern, wie es vorstehend erwähnt worden ist, oder bewirkt wird, dass das S/N-Verhältnis des Pumpstroms Ip2 abnimmt. Im Gegensatz dazu ist es in dem Beispiel auf der rechten Seite von 10 weniger wahrscheinlich, dass ein solches Problem auftritt, selbst wenn die NO-Konzentration eine niedrige Konzentration unter 50 ppm ist.
  • Wie es vorstehend erwähnt worden ist, steuert die Steuereinrichtung 90 vorzugsweise den Pumpstrom Ip2 in einem Bereich, bei dem die Impulsbreite des Pumpstroms Ip2 nicht unter den vorgegebenen unteren Grenzwert fällt. Entsprechend steuert die Steuereinrichtung 90 vorzugsweise den Pumpstrom Ip2 in einem Bereich, bei dem das Impulsintervall (Tb in der 9) des Pumpstroms Ip2 nicht unter einen vorgegebenen unteren Grenzwert fällt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass in einem Fall, bei dem das Impulsintervall zu klein ist, ein nachfolgender Impuls ansteigen kann, bevor der Impulsstrom vollständig abfällt, so dass ein Problem entsprechend dem Fall verursacht wird, bei dem die Impulsbreite zu gering ist. In den Beispielen in den 9 und 10 ist der Pumpstrom Ip2 als Impulsfolgestrom beschrieben. Selbst in einem Fall, bei dem der Pumpstrom Ip2 kein Impulsfolgestrom ist, wie es in der 3 der Fall ist, ist es bevorzugt, dass der Pumpstrom Ip2 in einem Bereich eingestellt werden kann, bei dem die Impulsbreite (Tein in der 3) und das Impulsintervall (Toff in der 3) nicht unter die vorgegebenen unteren Grenzwerte fallen.
  • Obwohl die Steuereinrichtung 90 und die Stromquellen 24, 46 und 52 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform in der 2 getrennt voneinander gezeigt sind, können die Stromquellen 24, 46 und 52 als Teil der Steuereinrichtung 90 betrachtet werden.
  • [Beispiele]
  • Spezifische Herstellungsbeispiele von Gassensoren werden nachstehend als Praxisbeispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die folgenden Praxisbeispiele beschränkt.
  • [Praxisbeispiel 1]
  • Das Praxisbeispiel 1 wird durch Herstellen des Gassensors 100 erhalten, der in den 1 und 2 gezeigt ist. Das Sensorelement 101 wird wie folgt hergestellt. Zuerst werden Keramikgrünlagen, die den einzelnen Schichten 1 bis 6 entsprechen, jeweils durch Mischen von Zirkoniumoxidteilchen, denen 4 Mol-% Yttriumoxid als Stabilisator zugesetzt sind, mit einem organischen Bindemittel, einem Dispergiermittel, einem Weichmacher und einem organischen Lösungsmittel und dann Formen des Gemischs durch Bandformen gebildet. Dann werden die Keramikgrünlagen, die den einzelnen Schichten entsprechen, gegebenenfalls einem Lochbohren und einem Siebdrucken einer Struktur aus einer leitenden Paste zur Bildung von Elektroden und eines Schaltkreises unterzogen und diese werden anschließend gestapelt und druckverbunden, so dass ein druckverbundener Körper erhalten wird. Eine Struktur für die Messelektrode 44 wird durch Siebdrucken einer leitenden Paste, die ein Gemisch aus Zirkoniumoxidteilchen und einem organischen Bindemittel aufweist, auf Pt und Rh, die als Edelmetalle dienen, gebildet. Dann wird ein ungebrannter Schichtkörper mit der Größe des Sensorelements 101 aus dem druckverbundenen Körper herausgeschnitten und gebrannt, wodurch das Sensorelement 101 erhalten wird. Das hergestellte Sensorelement 101 wird elektrisch mit den Stromquellen und der Steuereinrichtung 90 verbunden, wodurch der Gassensor 100 gemäß dem Praxisbeispiel 1 hergestellt wird. Der Pumpstrom Ip2, der durch die Impulsstromquelle 46 angewandt werden soll, ist ein Rechteckeinzelimpulsstrom, der in der 3 gezeigt ist, weist eine Frequenz von 100 Hz (d.h., einen Zyklus T von 0,1 s) und einen maximalen Strom Ip2max von 50 µA auf.
  • [Praxisbeispiel 2]
  • Im Praxisbeispiel 2 wird ein Gassensor 100 hergestellt, der demjenigen in dem Praxisbeispiel 1 entspricht, mit der Ausnahme, dass der Pumpstrom Ip2, der durch die Impulsstromquelle 46 angewandt werden soll, geändert wird. Der Pumpstrom Ip2, der durch die Impulsstromquelle 46 angewandt werden soll, ist ein Impulsfolgestrom, der in der 6 gezeigt ist, eine Frequenz von 100 Hz (d.h., einen Zyklus T von 0,1 s) aufweist, fünf Impulse pro Zyklus aufweist und 50 % als Anteil (d.h., Einschaltdauer) des Schwingungszeitraums TA aufweist, der den Zyklus T (Zyklusfolge) einnimmt.
  • [Praxisbeispiel 3]
  • Im Praxisbeispiel 3 wird ein Gassensor 100 hergestellt, der demjenigen in dem Praxisbeispiel 1 entspricht, mit der Ausnahme, dass die Frequenz auf 200 Hz eingestellt wird (d.h., der Zyklus T wird auf 0,05 s eingestellt).
  • [Praxisbeispiel 4]
  • Im Praxisbeispiel 4 wird ein Gassensor 100 hergestellt, der demjenigen in dem Praxisbeispiel 2 entspricht, mit der Ausnahme, dass die Frequenz auf 200 Hz eingestellt wird (d.h., der Zyklus T wird auf 0,05 s eingestellt).
  • [Vergleichsbeispiel 1]
  • Im Vergleichsbeispiel 1 wird der Gassensor 900 gemäß dem Vergleichsbeispiel hergestellt, das in der 4 gezeigt ist. Insbesondere ist im Vergleichsbeispiel 1 der Pumpstrom Ip2, der angewandt werden soll, ein kontinuierlicher elektrischer Strom. Der Gassensor 900 gemäß Vergleichsbeispiel 1 entspricht demjenigen im Praxisbeispiel 1, mit der Ausnahme, dass der Gassensor 900 die Messpumpzelle 941, die in der 4 gezeigt ist, anstelle der Messpumpzelle 41 umfasst.
  • [Dauerbeständigkeitstest]
  • Ein Dauerbeständigkeitstest unter Verwendung eines Dieselmotors wird in Bezug auf jedes der Praxisbeispiele 1 bis 4 und das Vergleichsbeispiel 1 durchgeführt, und der Abbaugrad in der Messelektrode 44 wird bewertet. Als Indikatoren zur Bewertung des Abbaugrads werden die Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit vor und nach dem Dauerbeständigkeitstest und die lineare Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit vor und nach dem Dauerbeständigkeitstest gemessen. Insbesondere wird der Test wie folgt durchgeführt. Der Gassensor gemäß dem Praxisbeispiel 1 wird an einer Abgasleitung eines Kraftfahrzeugs angebracht. Dann wird die Temperatur durch Anwenden von Elektrizität auf die Heizeinrichtung 72 auf 800 °C eingestellt, wodurch das Sensorelement 101 erwärmt wird. Die Steuereinrichtung 90 steuert die vorstehend genannten Pumpzellen 21, 41 und 50 und erfasst die Spannungen V0, V1, V2 und Vref von den vorstehend genannten Sensorzellen 80 bis 83. In diesem Zustand wird ein erstes Modellgas mit Stickstoff als dessen Basisgas und mit einer NO-Konzentration von 500 ppm durch die Leitung strömen gelassen. Nach dem Warten darauf, dass ein Steuerungswert von der Steuereinrichtung 90 zu der Impulsstromquelle 46 stabil wird, wird der Durchschnittswert Ip2ave als Anfangswert Ia500 der Erfassungsempfindlichkeit des Gassensors bezogen auf das NO bei 500 ppm gemessen. Anschließend wird ein 40 Minuten-Betriebsschema mit einer Motordrehzahl im Bereich von 1500 bis 3500 U/min und einem Lastdrehmoment im Bereich von 0 bis 350 N - m als Dauerbeständigkeitstest für 1000 Stunden wiederholt. In diesem Fall liegt die Gastemperatur zwischen 200 °C und 600 °C und die NOx-Konzentration liegt zwischen 0 ppm und 1500 ppm. Während dieses 1000 Stunden-Zeitraums werden die vorstehend genannten einzelnen Pumpzellen kontinuierlich gesteuert und die Spannungen werden durch die Steuereinrichtung 90 kontinuierlich erfasst. Nach 1000 Stunden wird der Durchschnittswert Ip2ave unter Verwendung eines Verfahrens gemessen, das demjenigen für den Anfangswert Ia500 entspricht, und wird als Wert nach dem Dauerbeständigkeitstest Ib500 festgelegt. Dann wird die Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit [%] des Pumpstroms Ip2 vor und nach dem Dauerbeständigkeitstest, der mit dem Gassensor gemäß dem Praxisbeispiel 1 durchgeführt worden ist, als die Änderungsrate der Empfindlichkeit bei der NO-Konzentration von 500 ppm = [1 - (Wert nach dem Dauerbeständigkeitstest Ib500/Anfangswert Ia500)] × 100 % bestimmt. Darüber hinaus wird die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit nach dem Dauerbeständigkeitstest, der mit dem Gassensor gemäß Praxisbeispiel 1 durchgeführt wird, in der folgenden Weise bestimmt. Zuerst wird entsprechend dem Wert nach dem Dauerbeständigkeitstest Ib500 der Durchschnittswert Ip2ave, nachdem ein Steuerungswert stabil geworden ist, in Bezug auf ein zweites Modellgas mit Stickstoff als dessen Basisgas und mit einer NO-Konzentration von 0 ppm gemessen und wird als ein Wert nach dem Dauerbeständigkeitstest Ib0 festgelegt. Darüber hinaus wird der Durchschnittswert Ip2ave, nachdem ein Steuerungswert stabil geworden ist, ebenfalls in Bezug auf ein drittes Modellgas mit Stickstoff als dessen Basisgas und mit einer NO-Konzentration von 1500 ppm gemessen und wird als Wert nach dem Dauerbeständigkeitstest Ib1500 festgelegt. Dann wird ein NO-Empfindlichkeitsgradient A zwischen zwei Punkten, die dem Fall, bei dem die NO-Konzentration in dem Gassensor gemäß dem Praxisbeispiel 1 nach dem Dauerbeständigkeitstest 0 ppm beträgt, bzw. dem Fall entsprechen, bei dem die NO-Konzentration 500 ppm beträgt, als Gradient A = (Ib500 - Ib0)/(500 - 0) bestimmt. Darüber hinaus wird ein NO-Empfindlichkeitsgradient B zwischen zwei Punkten, die dem Fall, bei dem die NO-Konzentration in dem Gassensor gemäß dem Praxisbeispiel 1 nach dem Dauerbeständigkeitstest 0 ppm beträgt, bzw. dem Fall entsprechen, bei dem die NO-Konzentration 1500 ppm beträgt, als Gradient B = (Ib1500 - Ib0)/(1500 - 0) bestimmt. Dann wird die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit [%] nach dem Dauerbeständigkeitstest als lineare Rate der NO-Empfindlichkeit = (Gradient B)/(Gradient A) × 100 % bestimmt. Für die Praxisbeispiele 2 bis 4 werden die Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit [%] des Pumpstroms Ip2 vor und nach dem Dauerbeständigkeitstest und die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit [%] nach dem Dauerbeständigkeitstest entsprechend bestimmt. Für das Vergleichsbeispiel 1 werden die Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit [%] und die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit [%] entsprechend bestimmt, mit der Ausnahme, dass der Wert des Pumpstroms Ip2, nachdem er stabil ist, anstelle des Durchschnittswerts Ip2ave gemessen wird.
  • Die Tabelle 1 zeigt die Frequenz, das Impulsverfahren, die Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit und die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit in Bezug auf die Praxisbeispiele 1 bis 4 und das Vergleichsbeispiel 1. Eine Änderung des Pumpstroms Ip2 in Bezug auf das NO zwischen dem Anfangswert und dem Zustand nach dem Dauerbeständigkeitstest nimmt mit abnehmendem Absolutwert der Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit ab. Dies impliziert, dass eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit bei der Verwendung des Gassensors verhindert wird. Ferner liegt dann, wenn sich die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit nach dem Dauerbeständigkeitstest 100 % nähert, die Linearität der NO-Empfindlichkeit zwischen drei Punkten, die jeweils 0 ppm, 500 ppm und 1500 ppm als NO-Konzentrationswerte entsprechen, selbst nach dem Dauerbeständigkeitstest näher an einem Idealzustand. Dies impliziert, dass eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit bei der Verwendung des Gassensors verhindert wird. Aus der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sowohl bezüglich der Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit als auch der linearen Rate der NO-Empfindlichkeit die Ergebnisse der Praxisbeispiele 1 bis 4 vorteilhafter sind als diejenigen des Vergleichsbeispiels 1, und eine Verschlechterung der Erfassungsgenauigkeit bei der Verwendung des Gassensors wird verhindert. Dies ist möglicherweise darauf zurückzuführen, dass eine Abnahme der katalytischen Aktivität der Messelektrode 44, die durch den Pumpstrom Ip2 verursacht wird, der durch diese fließt, in den Praxisbeispielen 1 bis 4 wegen der vorstehend genannten Gründe verhindert wird. In jedem der Praxisbeispiele 1 bis 4 und des Vergleichsbeispiels 1, beträgt die lineare Rate der NO-Empfindlichkeit, die vor dem Dauerbeständigkeitstest gemessen wird, etwa 98 %. [Tabelle 1]
    Frequenz Impulsverfahren Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit vor und nach dem Dauerbeständigkeitstest Lineare Änderungsrate der NO-Empfindlichkeit nach dem Dauerbeständigkeitstest
    Experimentelles Beispiel 1 100 Rechteckeinzelpuls -5,1 % 94,0 %
    Experimentelles Beispiel 2 100 Impulsfolge -5,8 % 94,2 %
    Experimentelles Beispiel 3 200 Rechteckeinzelpuls -5,7 % 93,5 %
    Experimentelles Beispiel 4 200 Impulsfolge -6,0 % 93,8 %
    Vergleichsbeispiel 1 - - -10,2 % 89,6 %
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2019-064322 , die am 28. März 2019 eingereicht worden ist, wobei 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. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfasst.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Erste Substratschicht
    2
    Zweite Substratschicht
    3
    Dritte Substratschicht
    4
    Erste Festelektrolytschicht
    5
    Abstandshalterschicht
    6
    Zweite Festelektrolytschicht
    10
    Gaseinlass
    11
    Erster Diffusionseinstellabschnitt
    12
    Pufferraum
    13
    Zweiter Diffusionseinstellabschnitt
    20
    Erster innerer Hohlraum
    21
    Hauptpumpzelle
    22
    Innere Pumpelektrode
    22a
    Obere Elektrode
    22b
    Untere Elektrode
    23
    Äußere Pumpelektrode
    24
    Variable Stromquelle
    30
    Dritter Diffusionseinstellabschnitt
    40
    Zweiter innerer Hohlraum
    41
    Messpumpzelle
    42
    Referenzelektrode
    43
    Referenzgaseinführungsraum
    44
    Messelektrode
    45
    Vierter Diffusionseinstellabschnitt
    46
    Impulsstromquelle
    48
    Lufteinführungsschicht
    50
    Hilfspumpzelle
    51
    Hilfspumpelektrode
    51a
    Obere Elektrode
    51b
    Untere Elektrode
    52
    Variable Stromquelle
    60
    Vierter Diffusionseinstellabschnitt
    61
    Dritter innerer Hohlraum
    70
    Heizeinrichtungseinheit
    71
    Heizeinrichtungsverbinderelektrode
    72
    Heizeinrichtung
    73
    Durchgangsloch
    74
    Heizeinrichtungsisolierschicht
    75
    Druckablassloch
    80
    Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung
    81
    Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung
    82
    Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung
    83
    Sensorzelle
    90
    Steuereinrichtung
    92
    CPU
    94
    Speicher
    100, 200
    Gassensor
    101, 301
    Sensorelement
    221
    Hauptpumpzelle
    224
    Impulsstromquelle
    250
    Hilfspumpzelle
    252
    Impulsstromquelle
    900
    Gassensor
    941
    Messpumpzelle
    946
    Variable Stromquelle
  • 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 2015200642 A [0003]
    • JP 2019064322 [0101]

Claims (5)

  1. Gassensor, der eine Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas erfasst, wobei der Gassensor umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und mit einem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt darin versehen ist, wobei der Messgegenstandsgasströmungsabschnitt ein Messgegenstandsgas erhält und ein Strömen des Messgegenstandsgases durch diesen ermöglicht; und eine oder mehrere Pumpzelle(n), die jeweils eine innere Elektrode und eine äußere Elektrode aufweist oder aufweisen und Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode zu der Umgebung der äußeren Elektrode pumpt oder pumpen, wobei die innere Elektrode in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet ist und ein katalytisch aktives Edelmetall enthält, wobei die äußere Elektrode derart in einem Bereich angeordnet ist, dass sie zu dem Messgegenstandsgas an einer Außenseite des Elementkörpers freiliegt, wobei mindestens eine Pumpzelle der einen oder mehreren Pumpzelle(n) den Sauerstoff durch Anwenden eines wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode hinauspumpt.
  2. Gassensor nach Anspruch 1, wobei die eine oder mehreren Pumpzelle(n) eine Hauptpumpzelle, die eine innere Hauptpumpelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Hauptpumpelektrode, die als die äußere Elektrode dient, aufweist, wobei die innere Hauptpumpelektrode in einem ersten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt angeordnet ist, wobei die Hauptpumpzelle Sauerstoff aus dem ersten inneren Hohlraum hinauspumpt, eine Hilfspumpzelle, die eine innere Hilfspumpelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Hilfspumpelektrode, die als die äußere Elektrode dient, aufweist, wobei die innere Hilfspumpelektrode in einem zweiten inneren Hohlraum angeordnet ist, der stromabwärts von dem ersten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die Hilfspumpzelle Sauerstoff von dem zweiten inneren Hohlraum hinauspumpt, und eine Messpumpzelle umfasst oder umfassen, die eine innere Messelektrode, die als die innere Elektrode dient, und eine äußere Messelektrode, die als die äußere Elektrode dient, aufweist, wobei die innere Messelektrode in einer Messkammer angeordnet ist, die stromabwärts von dem zweiten inneren Hohlraum in dem Messgegenstandsgasströmungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die Messpumpzelle Sauerstoff, der in der Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei mindestens eine der Hauptpumpzelle, der Hilfspumpzelle und der Messpumpzelle den Sauerstoff von der Umgebung der inneren Elektrode durch Anwenden des wiederholt Ein-aus-gesteuerten Pumpstroms zwischen der inneren Elektrode und der äußeren Elektrode hinauspumpt.
  3. Gassensor nach Anspruch 2, wobei die Messpumpzelle den Sauerstoff durch Anwenden eines Messpumpstroms, der als der wiederholt Ein-aus-gesteuerte Pumpstrom dient, zwischen der inneren Messelektrode und der äußeren Messelektrode hinauspumpt.
  4. Gassensor nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist und die ein Referenzgas erhält, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient; eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst; eine Messpumpzelle-Steuervorrichtung, die den Messpumpstrom auf der Basis der Messspannung während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum derart steuert, dass eine Sauerstoffkonzentration in der Messkammer auf eine vorgegebene niedrige Konzentration eingestellt wird, wobei der erste Zeitraum ein Zeitraum ist, in dem eine Änderung der Messspannung dadurch, dass sich der Messpumpstrom in einem Ein-Modus befindet, stattgefunden hat, wobei der zweite Zeitraum ein Zeitraum ist, in dem sich die Änderung der Messspannung verglichen mit dem ersten Zeitraum dadurch, dass sich der Messpumpstrom in einem Aus-Modus befindet, vermindert hat; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, welche die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Messpumpstroms erfasst.
  5. Gassensor nach Anspruch 3, ferner umfassend: eine Referenzelektrode, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist und die ein Referenzgas erhält, das als Referenz zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases dient; eine Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der inneren Messelektrode erfasst; eine Messpumpzelle-Steuervorrichtung, die den Messpumpstrom so steuert, dass ein Durchschnittswert des Messpumpstroms auf einen vorgegebenen Zielwert eingestellt wird; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, welche die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis der Messspannung während eines zweiten Zeitraums von einem ersten Zeitraum und dem zweiten Zeitraum erfasst, wobei der erste Zeitraum ein Zeitraum ist, in dem eine Änderung der Messspannung dadurch, dass sich der Messpumpstrom in einem Ein-Modus befindet, stattgefunden hat, wobei der zweite Zeitraum ein Zeitraum ist, in dem sich die Änderung der Messspannung verglichen mit dem ersten Zeitraum dadurch, dass sich der Messpumpstrom in einem Aus-Modus befindet, vermindert hat.
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