DE102021001436A1

DE102021001436A1 - Sensorelement und Gassensor

Info

Publication number: DE102021001436A1
Application number: DE102021001436.7A
Authority: DE
Inventors: Takayuki Sekiya; Yusuke Watanabe
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2021-03-18
Publication date: 2021-09-30
Also published as: US20210302358A1

Abstract

Ein Sensorelement 101 umfasst eine erste Messpumpzelle 41a und eine zweite Messpumpzelle 41b. Die erste Messpumpzelle 41a umfasst eine erste Messelektrode 44 und pumpt Sauerstoff, der in einem dritten inneren Hohlraum 61 aus einem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinaus, wobei die erste Messelektrode 44 in dem dritten inneren Hohlraum 61 in einem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt innerhalb eines Elementkörpers angeordnet ist. Die zweite Messpumpzelle 41b umfasst eine zweite Messelektrode 45 und pumpt Sauerstoff, der in einem vierten inneren Hohlraum 63 aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinaus, wobei die zweite Messelektrode 45 in dem vierten inneren Hohlraum 63 angeordnet ist. Das Sensorelement 101 ist so ausgebildet, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R2, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der zweiten Messelektrode 45 ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R1, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der ersten Messelektrode 44 ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und einen Gassensor.
Stand der Technik
Im Stand der Technik sind Grenzstrom-Gassensoren bekannt, welche die Konzentration eines spezifischen Gases, wie z.B. NOx, in einem Messgegenstandsgas, wie z.B. einem Abgas eines Kraftfahrzeugs, erfassen. Beispielsweise beschreibt PTL 1 einen Gassensor, der einen Schichtkörper, eine Pumpelektrode und eine Messelektrode umfasst. Der Schichtkörper ist aus einer Mehrzahl von Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschichten ausgebildet, die Pumpelektrode bildet eine elektrochemische Pumpzelle zum Einstellen eines Sauerstoffpartialdrucks eines inneren Hohlraums des Schichtkörpers und die Messelektrode ist innerhalb des Schichtkörpers angeordnet. Zum Erfassen der NOx-Konzentration unter Verwendung dieses Gassensors wird zuerst die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas in dem inneren Hohlraum unter Verwendung der Pumpelektrode eingestellt. Als nächstes wird NOx in dem Messgegenstandsgas, das der Einstellung der Sauerstoffkonzentration unterzogen worden ist, in der Umgebung der Messelektrode reduziert. Dann wird auf der Basis eines Pumpstroms Ip2, der fließt, wenn Sauerstoff in der Umgebung der Messelektrode hinausgepumpt wird, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erfasst.
Dokumentenliste
Patentdokumente
[PTL 1] Japanisches Patent Nr. 5323752 B
Zusammenfassung der Erfindung
Technisches Problem
Ein einzelner Gassensor kann jedoch die NOx-Konzentration nur in einem begrenzten Bereich genau messen. Beispielsweise erreicht, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zu hoch ist, der Pumpstrom Ip2 nicht den Grenzstrom und die NOx-Konzentration kann momentan nicht gemessen werden. Darüber hinaus nimmt, wenn die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zu niedrig ist, da der Pumpstrom Ip2 zu niedrig ist, die Messgenauigkeit durch eine Beeinflussung durch Fehler oder dergleichen ab. Folglich gab es einen Bedarf für einen Gassensor, der die NOx-Konzentration in einem breiteren Bereich messen kann.
Die vorliegende Erfindung wurde zum Lösen dieses Problems gemacht und eine Hauptaufgabe davon ist die genaue Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases in einem breiten Bereich.
Lösung des Problems
Zum Lösen der vorstehenden Hauptaufgabe weist die vorliegende Erfindung die folgenden Konfigurationen auf.
Ein erstes Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst:

einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt;
eine Einstellpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt einstellt;
eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer ersten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in der ersten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist; und
eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer zweiten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in der zweiten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist,
wobei der Elementkörper derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der ersten Messelektrode ist.

Das erste Sensorelement ist so ausgebildet, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode ist. Folglich kann selbst dann, wenn die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in der zweiten Messpumpzelle höher ist als in der ersten Messpumpzelle, der Strom den Grenzstrom erreichen, wenn Sauerstoff hinausgepumpt wird. D.h., die zweite Messpumpzelle ist zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases geeignet, wenn die Konzentration des spezifischen Gases höher ist als die in der ersten Messpumpzelle. Im Gegensatz dazu kann die erste Messpumpzelle selbst dann das Fließen eines vergleichsweise hohen Grenzstroms verursachen, wenn die Konzentration des spezifischen Gases niedrig ist, und ist folglich zum Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases geeignet, die niedriger ist als die in der zweiten Messpumpzelle. Folglich kann durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle und der zweiten Messpumpzelle das erste Sensorelement die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration genau erfassen, und zwar beispielsweise verglichen mit einem Sensorelement, das nur eine dieser Messpumpzellen umfasst.
Das erste Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Referenzelektrode umfassen, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet ist und die ein Referenzgas kontaktiert, das als Erfassungsreferenz der Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas dient.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Messpumpzelle eine erste Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der ersten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird, und die zweite Messpumpzelle kann eine zweite Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der zweiten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Messpumpzelle ferner eine erste äußere Messelektrode umfassen, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert, und die zweite Messpumpzelle kann ferner eine zweite äußere Messelektrode umfassen, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert. Die erste äußere Messelektrode ist auch ein Beispiel der vorstehend beschriebenen ersten Hinauspumpziel-Messelektrode. Die zweite äußere Messelektrode ist auch ein Beispiel der vorstehend beschriebenen zweiten Hinauspumpziel-Messelektrode.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ferner einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt umfassen, wobei der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode bereitgestellt ist, wobei der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode und auf dem Weg bereitgestellt ist, der nicht durch den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt verläuft, und wobei der zweite Diffusionswiderstand R₂ dadurch höher sein kann als der erste Diffusionswiderstand R₁, dass der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Auf diese Weise kann bei dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt, die parallel zueinander angeordnet sind, dadurch, dass der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt einen höheren Diffusionswiderstand aufweist, der zweite Diffusionswiderstand R₂ vergleichsweise einfach höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand R₁.
In diesem Fall kann der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und der ersten Messkammer bereitgestellt werden und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt kann auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und der zweiten Messkammer bereitgestellt werden. Auf diese Weise ist es bezüglich eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer nicht erforderlich, einen Weg für die erste Messelektrode und einen Weg für die zweite Messelektrode parallel zu trennen. Folglich kann der zweite Diffusionswiderstand mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper sein und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt kann eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper sein.
Das erste Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner, wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, erste bis n-te Messpumpzellen umfassen, einschließlich die erste Messpumpzelle und die zweite Messpumpzelle, wobei, wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode umfassen kann und zum Hinauspumpen von Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, ausgebildet sein kann, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer bereitgestellt ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, und wobei der Elementkörper derart ausgebildet sein kann, dass ein p-ter Diffusionswiderstand R_p, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der p-ten Messelektrode ist, höher als ein (p-1)-ter Diffusionswiderstand R_p-1 ist, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (p-1)-ten Messelektrode ist. D.h., R₁ < R₂ < ... R_n-1 < R_n kann erfüllt sein. Durch selektives Verwenden der ersten bis n-ten Messpumpzellen kann das Sensorelement die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiteren Bereich (Erfassungsbereich der Konzentration des spezifischen Gases) genauer erfassen, und zwar verglichen mit einem Sensorelement, das nur die erste und die zweite Messpumpzelle umfasst.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die p-te Messpumpzelle ferner eine p-te Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der p-ten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird.
In dem ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die p-te Messpumpzelle ferner eine p-te äußere Messelektrode umfassen, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert. Die p-te äußere Messelektrode ist auch ein Beispiel der vorstehend beschriebenen p-ten Hinauspumpziel-Messelektrode.
In diesem Fall kann ein Verhältnis R_n/R₁ zwischen dem ersten Diffusionswiderstand R₁ und einem n-ten Diffusionswiderstand R_n größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. D.h., das Verhältnis R_n/R₁ zwischen, von der ersten bis n-ten Messelektrode, dem ersten Diffusionswiderstand R₁ der ersten Messelektrode, die eine Messelektrode ist, für die der Diffusionswiderstand des Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb am niedrigsten ist, und dem n-ten Diffusionswiderstand R_n der n-ten Messelektrode, die eine Messelektrode ist, für die der Diffusionswiderstand des Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb der höchste ist, kann größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Es sollte beachtet werden, dass diese Beziehung nicht nur dann erfüllt sein kann, wenn n größer als oder gleich 3 ist, sondern auch, wenn n 2 ist. D.h., wenn das Sensorelement nur die erste und die zweite Messpumpzelle als Messpumpzellen umfasst, kann R₂/R₁ größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein.
Ein erster Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Das erste Sensorelement nach einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom nicht erreicht wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird. Dieser Gassensor erfasst die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfassen. Dieser Gassensor erfasst auch die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine hohe Konzentration ist, genau erfassen.
In dem ersten Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung, kann, wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit hoher Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten, und wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit niedriger Konzentration liegt, kann die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration umschalten. Folglich können auf der Basis der Pumpströme der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und der Modus zur Messung einer hohen Konzentration in einer geeigneten Weise umgeschaltet werden.
In diesem Fall kann der Gassensor eine erste Messspannung-Erfassungsvorrichtung, die eine erste Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der ersten Messelektrode erfasst, und eine zweite Messspannung-Erfassungsvorrichtung umfassen, die eine zweite Messspannung zwischen der Referenzelektrode und der zweiten Messelektrode erfasst. Darüber hinaus kann die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases die erste Messpumpzelle auf der Basis der ersten Messspannung in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration steuern und kann die zweite Messpumpzelle auf der Basis der zweiten Messspannung in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration steuern.
Ein zweites Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung ist
ein Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration als Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst:

einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt;
eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in einer ersten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist; und
eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in einer zweiten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist,
wobei der Elementkörper derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der ersten Messelektrode ist.

Das zweite Sensorelement ist ein Sensorelement zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases. In im Wesentlichen der gleichen Weise wie für das vorstehend beschriebene erste Sensorelement ist das zweite Sensorelement so ausgebildet, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode ist. Folglich kann durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle und der zweiten Messpumpzelle auch das zweite Sensorelement die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration genau erfassen, und zwar beispielsweise verglichen mit einem Sensorelement, das nur eine dieser Messpumpzellen umfasst.
In dem zweiten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Messpumpzelle eine erste Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der ersten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird, und die zweite Messpumpzelle kann eine zweite Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der zweiten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird.
In dem zweiten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann die erste Messpumpzelle ferner eine erste äußere Messelektrode umfassen, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert, und die zweite Messpumpzelle kann ferner eine zweite äußere Messelektrode umfassen, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert. Die erste äußere Messelektrode ist auch ein Beispiel für die vorstehend beschriebene erste Hinauspumpziel-Messelektrode. Die zweite äußere Messelektrode ist auch ein Beispiel für die vorstehend beschriebene zweite Hinauspumpziel-Messelektrode.
Der zweite Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst: Das vorstehend beschriebene zweite Sensorelement; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird. In im Wesentlichen der gleichen Weise wie derjenigen des vorstehend beschriebenen ersten Gassensors erfasst der zweite Gassensor die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfassen. Der zweite Gassensor erfasst auch die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Werts des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, und kann folglich die Konzentration des spezifischen Gases, die eine hohe Konzentration ist, genau erfassen.
Das zweite Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausführungsform nutzen, die im Wesentlichen mit verschiedenen Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen ersten Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist oder kann zusätzlich einen Aufbau nutzen, der im Wesentlichen mit dem vorstehend beschriebenen ersten Sensorelement gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist. Der zweite Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Ausführungsform nutzen, die im Wesentlichen mit verschiedenen Ausführungsformen des vorstehend beschriebenen ersten Gassensors gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist oder kann zusätzlich einen Aufbau nutzen, der im Wesentlichen mit dem vorstehend beschriebenen ersten Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung identisch ist.
Figurenliste

1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 zeigt.
2 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts.
3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und jeder Zelle zeigt.
4 zeigt ein Beispiel von V-I-Eigenschaften einer ersten Messpumpzelle 41a.
5 zeigt ein Beispiel einer Entsprechungsbeziehung zwischen einer NOx-Konzentration und einem Pumpstrom Ip2a.
6 zeigt ein Beispiel von V-I-Eigenschaften einer zweiten Messpumpzelle 41b.
7 zeigt ein Beispiel einer Entsprechungsbeziehung zwischen einer NOx-Konzentration und einem Pumpstrom Ip2b.
8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine zeigt.
9 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einer Modifizierung.
10 ist eine schematische Schnittansicht eines vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60.
11 ist eine schematische Schnittansicht des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und eines fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
12 ist eine schematische Schnittansicht des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
13 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einer Modifizierung.
14 ist eine schematische Schnittansicht des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
15 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung zeigt.
16 ist eine schematische Schnittansicht des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in einer Modifizierung.
17 ist eine schematische Schnittansicht des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einer Modifizierung.
18 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 300 zeigt.
19 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einem Sensorelement 301.
20 ist eine schematische Schnittansicht eines dritten inneren Hohlraums 61, eines vierten inneren Hohlraums 63 und einer Referenzgaskammer 343 in dem Sensorelement 301.
21 ist eine schematische Schnittansicht von Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitten in einer Modifizierung.
22 ist eine schematische Schnittansicht von Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitten in einer Modifizierung.

Beschreibung von Ausführungsformen
Nachstehend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Die 1 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 100 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt. Die 2 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts. Die 3 ist ein Blockdiagramm, das eine elektrische Verbindungsbeziehung zwischen einer Steuervorrichtung 90 und jeder Zelle zeigt. Die 2 zeigt einen Teilschnitt entlang der Vorne-hinten-Richtung und der horizontalen Richtung einer Abstandshalterschicht 5 in einem Sensorelement 101. Der Gassensor 100 ist beispielsweise 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, das ein Abgas des Verbrennungsmotors ist. In dieser Ausführungsform misst der Gassensor 100 eine NOx-Konzentration als Konzentration des spezifischen Gases. Der Gassensor 100 umfasst das Sensorelement 101 mit einer länglichen Quaderform, Zellen 21, 41a, 41b, 50, 80, 81, 82a, 82b und 83, die in das Sensorelement 101 einbezogen sind, und die Steuervorrichtung 90, die variable Stromquellen 24, 46 und 52 und Umschalter 85 und 86 aufweist und welche die Gesamtheit des Gassensors 100 steuert.
Das Sensorelement 101 ist ein Element mit einem Schichtkörper aus sechs Schichten, wobei jede davon aus einer Sauerstoffionen-leitenden Festelektrolytschicht aus Zirkoniumoxid (ZrO₂) oder dergleichen ausgebildet ist. Die sechs Schichten sind eine erste Substratschicht 1, eine zweite Substratschicht 2, eine dritte Substratschicht 3, eine erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und eine zweite Festelektrolytschicht 6 und diese sind in dieser Reihenfolge von der Unterseite in der 1 schichtartig angeordnet. Darüber hinaus weist der Festelektrolyt, der diese sechs Schichten bildet, eine hohe Dichte auf und ist gasdicht. Beispielsweise werden Keramikgrünlagen, die den jeweiligen Schichten entsprechen, einer vorgegebenen Verarbeitung, einem Strom- bzw. Schaltkreisstrukturdrucken und dergleichen unterzogen und diese Lagen werden schichtartig angeordnet und dann ferner gebrannt, so dass das Sensorelement 101 als Einzelform hergestellt wird.
An der Spitzenseite (linke Endseite in der 1) des Sensorelements 101 zwischen der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 sind ein Gaseinlass 10, ein erster Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, ein Pufferraum 12, ein zweiter Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, ein erster innerer Hohlraum 20, ein dritter Diffusionsrateneinstellabschnitt 30, ein zweiter innerer Hohlraum 40, ein vierter Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und ein dritter innerer Hohlraum 61 aneinander angrenzend ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge miteinander in Verbindung stehen. Darüber hinaus sind, wie es in der 2 gezeigt ist, in dem zweiten inneren Hohlraum 40 ein fünfter Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und ein vierter innerer Hohlraum 63 aneinander angrenzend ausgebildet, so dass sie in dieser Reihenfolge in Verbindung stehen. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der vierte innere Hohlraum 63 sind auf einem Weg des Messgegenstandsgases bereitgestellt, der nicht durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verläuft. Mit anderen Worten, der Satz aus dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem dritten inneren Hohlraum 61 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und dem vierten inneren Hohlraum 63 sind so angeordnet, dass sie parallel zueinander sind. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 weist einen längeren Strömungsweg des Messgegenstandsgases (Länge in der Vorne-hinten-Richtung in der 2) auf als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und folglich weist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand auf als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60.
Der Gaseinlass 10, der Pufferraum 12, der erste innere Hohlraum 20, der zweite innere Hohlraum 40, der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 bilden einen Raum innerhalb des Sensorelements 101. Der Raum wird durch Aushöhlen der Abstandshalterschicht 5 gebildet, wobei dessen Oberseite durch die untere Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 festgelegt ist, dessen Unterseite durch die obere Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist, und eine Seite davon durch eine Seitenoberfläche der Abstandshalterschicht 5 festgelegt ist.
Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 sind jeweils als zwei horizontal lange Schlitze (mit Öffnungen mit einer Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung in der 1) bereitgestellt (vgl. auch die 2). Darüber hinaus sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 jeweils als einzelner horizontal langer Schlitz (mit einer Öffnung mit einer Längsrichtung in der Richtung senkrecht zur Zeichnung in der 1) bereitgestellt, der als Lücke von der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet ist (vgl. auch die 2). Es sollte beachtet werden, dass die Teile von dem Gaseinlass 10 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 auch als Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bezeichnet werden.
Über den Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt von der Spitzenseite hinaus ist ein Referenzgas-Einführungsraum 43 an einer Position zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der unteren Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 bereitgestellt, wobei eine Seite davon durch eine Seitenoberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 festgelegt ist. Als Referenzgas zur Messung der NOx-Konzentration wird beispielsweise atmosphärische Luft in den Referenzgas-Einführungsraum 43 eingeführt.
Eine atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 ist aus einer porösen Keramik ausgebildet und das Referenzgas wird durch den Referenzgas-Einführungsraum 43 in die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 eingeführt. Darüber hinaus ist die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 so ausgebildet, dass sie eine Referenzelektrode 42 bedeckt.
Die Referenzelektrode 42 ist eine Elektrode, die zum Anordnen zwischen der oberen Oberfläche der dritten Substratschicht 3 und der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet ist. Wie es vorstehend beschrieben ist, ist die Referenzelektrode 42 durch die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 umgeben, die mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 verbunden ist. Darüber hinaus kann, wie es später beschrieben ist, die Referenzelektrode 42 zum Messen der Sauerstoffkonzentrationen (Sauerstoffpartialdrücke) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20, des zweiten inneren Hohlraums 40, des dritten inneren Hohlraums 61 und des vierten inneren Hohlraums 63 verwendet werden. Die Referenzelektrode 42 ist als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂) ausgebildet.
In dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ist der Gaseinlass 10 ein Teil, der zu einem Außenraum offen ist, und das Messgegenstandsgas wird von dem Außenraum durch den Gaseinlass 10 in das Sensorelement 101 aufgenommen. Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das durch den Gaseinlass 10 aufgenommen wird. Der Pufferraum 12 ist ein Raum, der zum Leiten des Messgegenstandsgases, das von dem ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 eingeführt wird, zu dem zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 bereitgestellt ist. Der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, das von dem Pufferraum 12 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird. Wenn das Messgegenstandsgas von außerhalb des Sensorelements 101 in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt wird, wird das Messgegenstandsgas, das aufgrund von Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases in dem Außenraum (Pulsierungen des Abgasdrucks, wenn das Messgegenstandsgas ein Abgas eines Kraftfahrzeugs ist) durch den Gaseinlass 10 rasch in das Sensorelement 101 aufgenommen wird, nicht direkt in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, sondern wird in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt, nachdem die Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12 und den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 kompensiert worden sind. Folglich sind die Änderungen des Drucks des Messgegenstandsgases, das in den ersten inneren Hohlraum 20 eingeführt werden soll, nahezu vernachlässigbar. Der erste innere Hohlraum 20 ist als Raum zum Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das durch den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 eingeführt wird. Der Sauerstoffpartialdruck wird durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 eingestellt.
Die Hauptpumpzelle 21 ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine innere Pumpelektrode 22, eine äußere Pumpelektrode 23 und die zweite Festelektrolytschicht 6, die zwischen diesen Elektroden angeordnet ist, umfasst. Die innere Pumpelektrode 22 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 22a auf, der auf im Wesentlichen der gesamten Oberfläche der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den ersten inneren Hohlraum 20 gerichtet ist. Die äußere Pumpelektrode 23 ist so bereitgestellt, dass sie zu dem Außenraum in einem Bereich freiliegt, der dem oberen Elektrodenabschnitt 22a auf der oberen Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht.
Die innere Pumpelektrode 22 ist auf der oberen und unteren Festelektrolytschicht (der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der ersten Festelektrolytschicht 4) ausgebildet, die den ersten inneren Hohlraum 20 und die Abstandshalterschicht 5, welche die Seitenwände bildet, festlegen. Insbesondere ist der obere Elektrodenabschnitt 22a auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet, und ein unterer Elektrodenabschnitt 22b ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Ferner sind zum miteinander Verbinden des oberen Elektrodenabschnitts 22a und des unteren Elektrodenabschnitts 22b Seitenelektrodenabschnitte 22c (vgl. die 2) auf Seitenwandoberflächen (inneren Oberflächen) der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die beide Seitenwandabschnitte des ersten inneren Hohlraums 20 bildet. Die innere Pumpelektrode 22 ist so angeordnet, dass sie eine Tunnelstruktur in dem Teil aufweist, bei dem die Seitenelektrodenabschnitte 22c angeordnet sind.
Die innere Pumpelektrode 22 und die äußere Pumpelektrode 23 sind jeweils als poröse Cermetelektrode (z.B. eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthält) ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass die innere Pumpelektrode 22, die das Messgegenstandsgas kontaktieren soll, aus einem Material ausgebildet ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 wird bewirkt, dass ein Pumpstrom Ip0 zwischen der inneren Pumpelektrode 22 und der äußeren Pumpelektrode 23 in der positiven Richtung oder in der negativen Richtung fließt, so dass die Hauptpumpzelle 21 Sauerstoff von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem Außenraum hinauspumpen kann oder Sauerstoff von dem Außenraum zu dem ersten inneren Hohlraum 20 hineinpumpen kann.
Darüber hinaus ist zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration (Sauerstoffpartialdruck) in der Atmosphäre in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80, durch die innere Pumpelektrode 22, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet.
Die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 wird durch Messen einer elektromotorischen Kraft (Spannung V0) in der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 bestimmt. Darüber hinaus wird der Pumpstrom Ip0 durch eine Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart gesteuert, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bei einem vorgegebenen konstanten Wert gehalten werden.
Der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, in dem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 gesteuert bzw. eingestellt wird. Der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 leitet das Messgegenstandsgas zu dem zweiten inneren Hohlraum 40.
Der zweite innere Hohlraum 40 ist als Raum zum weiteren Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks des Messgegenstandsgases, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 unterzogen worden ist und dann durch den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 eingeführt wird, unter Verwendung einer Hilfspumpzelle 50 bereitgestellt. Folglich kann die Sauerstoffkonzentration innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 mit einer hohen Genauigkeit konstant gehalten werden und dadurch kann der Gassensor 100 die NOx-Konzentration genau messen.
Die Hilfspumpzelle 50 ist eine elektrochemische Hilfspumpzelle, die eine Hilfspumpelektrode 51, die äußere Pumpelektrode 23 (nicht auf die äußere Pumpelektrode 23 beschränkt und eine geeignete Elektrode außerhalb des Sensorelements 101 kann ausreichen) und die zweite Festelektrolytschicht 6 umfasst. Die Hilfspumpelektrode 50 weist einen oberen Elektrodenabschnitt 51a auf, der auf im Wesentlichen der gesamten unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt ist, die auf den zweiten inneren Hohlraum 40 gerichtet ist.
Die Hilfspumpelektrode 51 ist derart innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet, dass sie eine Tunnelstruktur aufweist, die im Wesentlichen mit derjenigen der inneren Pumpelektrode 22 identisch ist, die innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 bereitgestellt ist. D.h., der obere Elektrodenabschnitt 51a ist auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 ausgebildet, welche die obere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet, und ein unterer Elektrodenabschnitt 51 b ist auf der ersten Festelektrolytschicht 4 ausgebildet, welche die untere Oberfläche des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Ferner sind Seitenelektrodenabschnitte 51c (vgl. die 2), die den oberen Elektrodenabschnitt 51a und den unteren Elektrodenabschnitt 51b miteinander verbinden, auf beiden Seitenwandoberflächen der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet, die Seitenwände des zweiten inneren Hohlraums 40 bildet. Die Hilfspumpelektrode 51 weist eine Tunnelstruktur auf. Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpelektrode 51 wie die innere Pumpelektrode 22 aus einem Material ausgebildet ist, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist.
Durch Anlegen einer gewünschten Spannung Vp1 zwischen der Hilfspumpelektrode 51 und der äußeren Pumpelektrode 23 kann die Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff von dem zweiten inneren Hohlraum 40 zu dem Außenraum hinauspumpen oder kann Sauerstoff von dem Außenraum zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 hineinpumpen.
Darüber hinaus ist zum Steuern bzw. Einstellen des Sauerstoffpartialdrucks in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81, durch die Hilfspumpelektrode 51, die Referenzelektrode 42, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4 und die dritte Substratschicht 3 ausgebildet.
Es sollte beachtet werden, dass die Hilfspumpzelle 50 ein Pumpen bei der variablen Stromquelle 52 durchführt, deren Spannung auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung V1) gesteuert wird, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hilfspumpsteuerung 81 erfasst wird. Folglich wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst.
Darüber hinaus wird einhergehend damit ein Pumpstrom Ip1 davon zum Steuern der elektromotorischen Kraft der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 verwendet. Insbesondere wird der Pumpstrom Ip1 in die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 als Steuersignal eingespeist und der vorstehend genannte Zielwert der Spannung V0 davon wird derart gesteuert, dass der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt wird, so gesteuert wird, dass er stets konstant ist. In einem Fall der Verwendung als NOx-Sensor wird der Sauerstoffpartialdruck innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 und der Hilfspumpzelle 50 bei einem konstanten Wert von etwa 0,001 ppm gehalten. Der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 sind jeweils ein Beispiel einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 sind jeweils ein Beispiel einer Einstellpumpzelle.
Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist ein Teil, der einen vorgegebenen Diffusionswiderstand auf das Messgegenstandsgas ausübt, in dem die Sauerstoffkonzentration (der Sauerstoffpartialdruck) durch den Betrieb der Hilfspumpzelle 50 innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 gesteuert bzw. eingestellt wird. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 leitet das Messgegenstandsgas zu dem dritten inneren Hohlraum 61. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 weist eine Rolle des Beschränkens der Menge von NOx auf, das in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt.
Der dritte innere Hohlraum 61 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung, die mit der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, mit dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen worden ist und dann durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 eingeführt wird. Der vierte innere Hohlraum 63 ist als Raum zum Durchführen einer Verarbeitung, die mit der Messung der Stickstoffoxid (NOx)-Konzentration in dem Messgegenstandsgas zusammenhängt, mit dem Messgegenstandsgas bereitgestellt, das im Vorhinein einer Einstellung der Sauerstoffkonzentration (des Sauerstoffpartialdrucks) innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen worden ist und dann durch den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 eingeführt wird. Die Messung der NOx-Konzentration wird vorwiegend durch jedweden des Betriebs einer ersten Messpumpzelle 41a in dem dritten inneren Hohlraum 61 und des Betriebs einer zweiten Messpumpzelle 41b in dem vierten inneren Hohlraum 63 durchgeführt. Wie es später detailliert beschrieben ist, ist die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, und die zweite Messpumpzelle 41b ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist ein Beispiel für einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 ist ein Beispiel für einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Der dritte innere Hohlraum 61 ist ein Beispiel für eine erste Messkammer und der vierte innere Hohlraum 63 ist ein Beispiel für eine zweite Messkammer.
Die erste Messpumpzelle 41a misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. Die erste Messpumpzelle 41a ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine erste Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den dritten inneren Hohlraum 61 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die zweite Messpumpzelle 41b misst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63. Die zweite Messpumpzelle 41b ist eine elektrochemische Pumpzelle, die eine zweite Messelektrode 45, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt ist, die auf den vierten inneren Hohlraum 63 gerichtet ist, die äußere Pumpelektrode 23, die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5 und die erste Festelektrolytschicht 4 umfasst. Die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 sind poröse Cermetelektroden, die aus einem Material ausgebildet sind, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas erhöht ist, so dass es höher ist als dasjenige der inneren Pumpelektrode 22. Die erste Messelektrode 44 dient auch als NOxreduzierender Katalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 vorliegt. Die zweite Messelektrode 45 dient auch als NOxreduzierender Katalysator zum Reduzieren von NOx, das in der Atmosphäre innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 vorliegt.
Die erste Messpumpzelle 41a kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die erste Messelektrode 44 erzeugt worden ist, hinauspumpen, und kann die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2a erfassen. Die zweite Messpumpzelle 41b kann Sauerstoff, der durch die Zersetzung von Stickstoffoxid in der Atmosphäre um die zweite Messelektrode 45 erzeugt worden ist, hinauspumpen, und kann die Menge des erzeugten Sauerstoffs als Pumpstrom Ip2b erfassen.
Darüber hinaus ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die erste Messelektrode 44 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a, durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die erste Messelektrode 44 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Entsprechend ist zum Erfassen des Sauerstoffpartialdrucks um die zweite Messelektrode 45 eine elektrochemische Sensorzelle, d.h., eine zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b, durch die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die zweite Messelektrode 45 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Die variable Stromquelle 46 wird auf der Basis von einem von einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2a), die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, und einer elektromotorischen Kraft (Spannung V2b), die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird, gesteuert.
Nachstehend wird ein Fall beschrieben, bei dem die erste Messpumpzelle 41a verwendet wird. Das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet worden ist, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert bzw. eingestellt wird, tritt durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 hindurch und erreicht die erste Messelektrode 44 innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61. In dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 wird Stickstoffoxid reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2 NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die erste Messpumpzelle 41a unterzogen. Bei diesem Vorgang wird eine Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 so gesteuert, dass die Spannung V2a, die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, konstant wird (Zielwert). Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a berechnet.
Ein Fall, bei dem die zweite Messpumpzelle 41b verwendet wird, ist im Wesentlichen mit dem Vorstehenden identisch. D.h., zuerst tritt das Messgegenstandsgas, das in den zweiten inneren Hohlraum 40 geleitet worden ist, in dem der Sauerstoffpartialdruck gesteuert bzw. eingestellt wird, durch den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 hindurch und erreicht die zweite Messelektrode 45 innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63. In dem Messgegenstandsgas in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 wird Stickstoffoxid reduziert, so dass Sauerstoff erzeugt wird (2 NO → N₂ + O₂). Der erzeugte Sauerstoff wird einem Pumpen durch die zweite Messpumpzelle 41b unterzogen. Bei diesem Vorgang wird die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 so gesteuert, dass die Spannung V2b, die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird, konstant wird (Zielwert). Da die Menge von Sauerstoff, die in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 erzeugt wird, proportional zur Konzentration von Stickstoffoxid in dem Messgegenstandsgas ist, wird die Stickstoffoxidkonzentration in dem Messgegenstandsgas unter Verwendung des Pumpstroms Ip2b in der zweiten Messpumpzelle 41b berechnet.
Darüber hinaus ist eine elektrochemische Sensorzelle 83 durch die zweite Festelektrolytschicht 6, die Abstandshalterschicht 5, die erste Festelektrolytschicht 4, die dritte Substratschicht 3, die äußere Pumpelektrode 23 und die Referenzelektrode 42 ausgebildet. Auf der Basis einer elektromotorischen Kraft (Spannung Vref), die durch die Sensorzelle 83 erhalten wird, kann der Sauerstoffpartialdruck in dem Messgegenstandsgas außerhalb des Sensors erfasst werden.
In dem Gassensor 100 mit einem solchen Aufbau werden die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 aktiviert, so dass die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b mit dem Messgegenstandsgas versorgt werden, in dem der Sauerstoffpartialdruck stets bei einem konstanten niedrigen Wert gehalten wird (einem Wert, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst). Demgemäß kann die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Pumpstroms Ip2a oder des Pumpstroms Ip2b, dessen Fließen durch die erste Messpumpzelle 41a oder die zweite Messpumpzelle 41b bewirkt wird, die Sauerstoff, der durch Reduzieren von NOx etwa proportional zu der NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas erzeugt wird, hinauspumpt.
Das Sensorelement 101 umfasst ferner eine Heizeinrichtungseinheit 70, die eine Rolle bei der Einstellung von Temperaturen zum Erwärmen des Sensorelements 101 und dem Warmhalten des Sensorelements 101 zum Erhöhen der Sauerstoffionenleitfähigkeit des Festelektrolyten spielt. Die Heizeinrichtungseinheit 70 umfasst eine Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71, eine Heizeinrichtung 72, ein Durchgangsloch 73, eine Heizeinrichtungsisolierschicht 74 und ein Druckablassloch 75.
Die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 ist eine Elektrode, die in Kontakt mit der unteren Oberfläche der ersten Substratschicht 1 ausgebildet ist. Durch Verbinden der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 mit einer externen Stromquelle kann der Heizeinrichtungseinheit 70 von außerhalb Strom zugeführt werden.
Die Heizeinrichtung 72 ist ein elektrischer Widerstand, der so ausgebildet ist, dass er vertikal zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der dritten Substratschicht 3 gehalten ist. Die Heizeinrichtung 72 ist mit der Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 über das Durchgangsloch 73 verbunden. Die Heizeinrichtung 72 erzeugt Wärme als Reaktion auf Strom, der dieser von außerhalb durch die Heizeinrichtungsverbinderelektrode 71 zugeführt wird, so dass der Festelektrolyt, der das Sensorelement 101 bildet, erwärmt wird und der Festelektrolyt warmgehalten wird.
Die Heizeinrichtung 72 ist in dem gesamten Bereich von dem ersten inneren Hohlraum 20 zu dem dritten inneren Hohlraum 61 eingebettet und kann die Temperatur des gesamten Sensorelements 101 auf eine Temperatur einstellen, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist.
Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist eine Isolierschicht, die aus einem Isolator, wie z.B. Aluminiumoxid, auf der oberen und der unteren Oberfläche der Heizeinrichtung 72 ausgebildet ist. Die Heizeinrichtungsisolierschicht 74 ist so ausgebildet, dass eine elektrische Isolierung zwischen der zweiten Substratschicht 2 und der Heizeinrichtung 72 und eine elektrische Isolierung zwischen der dritten Substratschicht 3 und der Heizeinrichtung 72 bereitgestellt werden.
Das Druckablassloch 75 ist ein Teil, der so bereitgestellt ist, dass er sich durch die dritte Substratschicht 3 und die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 erstreckt und mit dem Referenzgas-Einführungsraum 43 in Verbindung steht. Das Druckablassloch 75 ist so ausgebildet, dass es eine Zunahme des Innendrucks vermindert, der durch einen Temperaturanstieg in der Heizeinrichtungsisolierschicht 74 verursacht wird.
Die Steuervorrichtung 90 umfasst die vorstehend beschriebenen variablen Stromquellen 24, 46 und 52, die Umschalter 85 und 86 zum Umschalten, ob eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b gesteuert wird, und eine Steuereinheit 91. Die Steuereinheit 91 ist ein Mikroprozessor, der eine CPU 92, einen RAM, der nicht gezeigt ist, eine Speichereinheit 94, usw., umfasst. Die Speichereinheit 94 ist beispielsweise ein nicht-flüchtiger Speicher, wie z.B. ein ROM, und ist eine Vorrichtung, die verschiedene Arten von Daten speichert. Die Steuereinheit 91 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 Vref, die durch die Sensorzelle 83 erfasst wird, den Pumpstrom lp0, der durch die Hauptpumpzelle 21 erfasst wird, und den Pumpstrom Ip1, der durch die Hilfspumpzelle 50 erfasst wird. Die Steuereinheit 91 gibt ein Steuersignal an die variablen Stromquellen 24 und 52 zum Steuern der Spannungen Vp0 und Vp1 aus, die von den variablen Stromquellen 24 und 52 ausgegeben werden, wodurch die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 gesteuert werden. Durch Umschalten einer elektrischen Schaltkreisverbindung unter Verwendung des Umschalters 85 erhält die Steuereinheit 91 selektiv eine der Spannung V2a, die durch die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erfasst wird, und der Spannung V2b, die durch die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erfasst wird. Darüber hinaus schaltet durch Umschalten einer elektrischen Schaltkreisverbindung unter Verwendung des Umschalters 86 die Steuereinheit 91 selektiv, ob das Steuerziel eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b ist. Insbesondere schaltet durch Umschalten des Umschalters 86 die Steuereinheit 91, ob die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 an eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b angelegt werden soll und schaltet auch zum Erhalten von einem des Pumpstroms Ip2a, der in der ersten Messpumpzelle 41a fließt, und des Pumpstroms Ip2b, der in der zweiten Messpumpzelle 41b fließt. Die Speichereinheit 94 speichert auch Zielwerte V0*, V1* und V2*, die später beschrieben werden. Durch Bezugnahme auf diese Zielwerte V0*, V1* und V2* steuert die CPU 92 der Steuereinheit 91 die Zellen 21, 41a, 41b und 50. Die CPU 92 steuert auch die Heizeinrichtung 72.
Die Steuereinheit 91 führt eine Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart durch, dass die Spannung V0 einen Zielwert erreicht (als Zielwert V0* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht eine Zielkonzentration).
Die Steuereinheit 91 führt auch eine Regelung der Spannung Vp1 der variablen Stromquelle 52 derart durch, dass die Spannung V1 einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V1* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem zweiten inneren Hohlraum 40 erreicht eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration, welche die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst). Zusätzlich stellt die Steuereinheit 91 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (regelt diesen derart), dass der Pumpstrom Ip1, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp1 fließt, einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert Ip1* bezeichnet). Demgemäß bleibt der Gradient des Sauerstoffpartialdrucks in dem Messgegenstandsgas, das von dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in den zweiten inneren Hohlraum 40 eingeführt werden soll, stets konstant. Darüber hinaus wird der Sauerstoffpartialdruck in der Atmosphäre in dem zweiten inneren Hohlraum 40 auf einen niedrigen Partialdruck eingestellt, der die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst. Der Zielwert V0* wird auf einen Wert eingestellt, derart, dass die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eine niedrige Sauerstoffkonzentration von höher als 0 % erreicht.
Die Steuereinheit 91 weist einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration auf. Der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ist ein Messmodus, der für das Messgegenstandsgas mit der NOx-Konzentration geeignet ist, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, und der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ist ein Messmodus, der für das Messgegenstandsgas mit der NOx-Konzentration geeignet ist, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist.
In dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration steuert die Steuereinheit 91 die erste Messpumpzelle 41a derart, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht und erfasst auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2a, der zu diesem Zeitpunkt fließt, die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas. Insbesondere führt die Steuereinheit 91 zuerst eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 derart durch, dass die Spannung V2a einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 erreicht eine vorgegebene niedrige Konzentration). Der Zielwert V2* wird im Vorhinein als Wert bestimmt, durch den der Pumpstrom Ip2a, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp2 fließt, die einer Regelung unterzogen wird, den Grenzstrom erreicht. Dadurch, dass das Fließen des Pumpstroms Ip2a bewirkt wird, wird Sauerstoff derart aus dem dritten inneren Hohlraum 61 hinausgepumpt, dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Steuereinheit 91 den Pumpstrom Ip2a als Erfassungswert gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird und der von einem spezifischen Gas (hier NOx) abgeleitet ist, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2a die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform speichert die Speichereinheit 94 im Vorhinein eine erste Entsprechungsbeziehung 95, die eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2a und der NOx-Konzentration darstellt. Auf der Basis des erfassten Pumpstroms Ip2a und der ersten Entsprechungsbeziehung 95 berechnet die Steuereinheit 91 die NOx-Konzentration. Bei der ersten Entsprechungsbeziehung 95 handelt es sich um Daten, wie z.B. eine Beziehungsformel (z.B. eine lineare Funktionsformel) oder ein Kennfeld.
In dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration steuert die Steuereinheit 91 die zweite Messpumpzelle 41b derart, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht und erfasst auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2b, der zu diesem Zeitpunkt fließt, die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas. In dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration führt die Steuereinheit 91 im Wesentlichen die gleiche Steuerung durch wie in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration, mit der Ausnahme, dass die zweite Messpumpzelle 41b auf der Basis der Spannung V2b gesteuert wird. Insbesondere führt die Steuereinheit 91 zuerst eine Regelung der Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 derart durch, dass die Spannung V2b einen konstanten Wert erreicht (als Zielwert V2* bezeichnet) (d.h., die Sauerstoffkonzentration innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 erreicht eine vorgegebene niedrige Konzentration). Der Zielwert V2* wird im Vorhinein als Wert bestimmt, durch den der Pumpstrom Ip2b, bei dem bewirkt wird, dass er durch die Spannung Vp2 fließt, die einer Regelung unterzogen wird, den Grenzstrom erreicht. Der Zielwert V2* in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration ist gleich dem Zielwert V2* in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration. Der Zielwert V2* kann jedoch verschiedene Werte zwischen dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration und dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration aufweisen. Dadurch, dass das Fließen des Pumpstroms Ip2b bewirkt wird, wird Sauerstoff derart aus dem vierten inneren Hohlraum 63 hinausgepumpt, dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des vierten inneren Hohlraum 63 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Steuereinheit 91 den Pumpstrom Ip2b als Erfassungswert gemäß dem Sauerstoff, der in dem vierten inneren Hohlraum 63 erzeugt wird und der von einem spezifischen Gas (hier NOx) abgeleitet ist, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2b die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. In dieser Ausführungsform speichert die Speichereinheit 94 im Vorhinein eine zweite Entsprechungsbeziehung 96, die eine Entsprechungsbeziehung zwischen dem Pumpstrom Ip2b und der NOx-Konzentration darstellt. Auf der Basis des erfassten Pumpstroms Ip2b und der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 berechnet die Steuereinheit 91 die NOx-Konzentration. Bei der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 handelt es sich um Daten, wie z.B. eine Beziehungsformel (z.B. eine lineare Funktionsformel) oder ein Kennfeld.
In der vorstehenden Weise wird Sauerstoff, der von dem spezifischen Gas in dem Messgegenstandsgas abgeleitet ist, das in das Sensorelement 101 eingeführt worden ist, hinausgepumpt, und auf der Basis des Grenzstroms (hier der Pumpströme Ip2a und Ip2b), der fließt, wenn der Sauerstoff hinausgepumpt wird, wird die Konzentration des spezifischen Gases erfasst. Dieses Verfahren wird als Grenzstromverfahren bezeichnet.
Nachstehend werden Betriebseigenschaften der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b beschrieben. Die 4 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Spannung Vp2 und dem Pumpstrom Ip2a (V-I-Eigenschaften) in der ersten Messpumpzelle 41a, und die 5 zeigt ein Beispiel der Entsprechungsbeziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a. Die 6 zeigt ein Beispiel einer Beziehung zwischen der Spannung Vp2 und dem Pumpstrom Ip2b (V-I-Eigenschaften) in der zweiten Messpumpzelle 41b, und die 7 zeigt ein Beispiel der Entsprechungsbeziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b. Die 5 zeigt eine Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in einem Fall, bei dem die Spannung Vp2 ein Wert A ist (vgl. die 4), und die 7 zeigt eine Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b in einem Fall, bei dem die Spannung Vp2 ein Wert B ist (vgl. die 6).
Wie es in der 4 gezeigt ist, nimmt in der ersten Messpumpzelle 41a in einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 niedrig ist, der Pumpstrom Ip2a gemäß einer Zunahme der Spannung Vp2 zu. In einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 in einem gewissen Maß hoch ist, ist durch den Einfluss des Diffusionswiderstands des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts selbst dann, wenn sich die Spannung Vp2 ändert, die Zunahme des Pumpstroms Ip2a mäßig, und der Pumpstrom Ip2a ist im Wesentlichen ein konstanter Wert. D.h., der Pumpstrom Ip2a erreicht den Grenzstrom. Dieser Bereich wird als Plateaubereich bezeichnet. In einem Bereich, bei dem die Spannung Vp2 höher ist als in dem Plateaubereich, beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas Feuchtigkeit enthält, wird die Feuchtigkeit zersetzt, so dass Sauerstoff erzeugt wird. Folglich nimmt der Pumpstrom Ip2a gemäß der Zunahme der Spannung Vp2 erneut zu. Darüber hinaus ist der Wert des Grenzstroms umso größer, je höher die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ist. Beispielsweise beträgt der Wert des Grenzstroms (des Pumpstroms Ip2a) in der 4 etwa 1 µA, wenn die NOx-Konzentration 500 ppm beträgt, und beträgt etwa 5 µA, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm beträgt. Folglich gibt es beispielsweise, wenn auf der Basis des Zielwerts V2* die Spannung Vp2 so eingestellt wird, dass sie den Wert A, wie es in der 4 gezeigt ist, in einem Bereich aufweist, in dem die NOx-Konzentration kleiner als oder gleich 2500 ppm ist, wie es in der 5 gezeigt ist, eine lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a. Durch die Verwendung dieser linearen Beziehung kann die NOx-Konzentration aus dem Wert des Pumpstroms Ip2a berechnet werden. Die vorstehend beschriebene erste Entsprechungsbeziehung 95 wird im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen als Daten bestimmt, die eine solche lineare Beziehung darstellen.
Wie es in der 4 gezeigt ist, wird der Plateaubereich mit zunehmender NOx-Konzentration jedoch schmaler, und wenn die NOx-Konzentration zu hoch ist, gibt es nahezu keinen Plateaubereich. D.h., der Pumpstrom Ip2a erreicht den Grenzstrom nicht. Beispielsweise wenn die NOx-Konzentration in dem Beispiel in der 4 höher als oder gleich 3000 ppm ist, erreicht der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom nicht. Folglich liegt, wie es in der 5 gezeigt ist, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm übersteigt, zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a keine lineare Beziehung mehr vor. Folglich wird, wenn die NOx-Konzentration 2500 ppm übersteigt, die NOx-Konzentration unter Verwendung der ersten Messpumpzelle 41a nicht genau gemessen. Der Bereich der NOx-Konzentration, in dem der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, ändert sich abhängig von einem ersten Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 ist. Je höher der erste Diffusionswiderstand R₁ ist, desto geringer wird die Menge von NOx, das pro Zeiteinheit in den dritten inneren Hohlraum 61 strömt, selbst wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Folglich pumpt die erste Messpumpzelle 41a Sauerstoff einfach hinaus, so dass von NOx abgeleiteter Sauerstoff im Wesentlichen Null wird. Folglich wird, wenn der erste Diffusionswiderstand R₁ höher ist, die Obergrenze der NOx-Konzentration erhöht, durch die der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht. In dem Beispiel in der 4 beträgt die Obergrenze der NOx-Konzentration, durch die der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, 2500 ppm. In dieser Ausführungsform wird der Wert des ersten Diffusionswiderstands R₁ vorwiegend durch einen Summenwiderstand von Diffusionswiderständen des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13, des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 und des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 bestimmt, die nacheinander in einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 vorliegen.
Im Gegensatz dazu ist bezüglich der zweiten Messpumpzelle 41b ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 ein zweiter Diffusionswiderstand R₂. In dieser Ausführungsform wird der Wert des zweiten Diffusionswiderstands R₂ vorwiegend durch einen Summenwiderstand von Diffusionswiderständen des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13, des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 bestimmt, die nacheinander in einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 vorliegen. In dieser Ausführungsform sind von diesen Diffusionsrateneinstellabschnitten der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 Komponenten des ersten Diffusionswiderstands R₁ gemeinsam. Folglich ist die Größenbeziehung zwischen dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 die Größenbeziehung zwischen dem ersten Diffusionswiderstand R₁ und dem zweiten Diffusionswiderstand R₂. Darüber hinaus ist, wie es vorstehend beschrieben worden ist, da der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, in dieser Ausführungsform der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher als der erste Diffusionswiderstand R₁. Folglich weist die zweite Messpumpzelle 41b eine höhere Obergrenze der NOx-Konzentration, durch die der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht, als die erste Messpumpzelle 41a auf. Mit anderen Worten, selbst wenn die Konzentration von NOx in dem Messgegenstandsgas in der zweiten Messpumpzelle 41b höher ist als in der ersten Messpumpzelle 41a, kann der Pumpstrom den Grenzstrom erreichen, wenn Sauerstoff hinausgepumpt wird. In dieser Ausführungsform erreicht, wie es in 6 und 7 gezeigt ist, in der zweiten Messpumpzelle 41b in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration niedriger als oder gleich 10000 ppm ist, der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom und es liegt eine lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2b vor. Folglich kann selbst in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration höher als 2500 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm ist und durch die erste Messpumpzelle 41a momentan nicht gemessen werden kann, die zweite Messpumpzelle 41b die NOx-Konzentration genau messen und ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Die vorstehend beschriebene zweite Entsprechungsbeziehung 96 wird im Vorhinein durch ein Experiment oder dergleichen als Daten bestimmt, die eine solche lineare Beziehung darstellen, wie sie in der 7 gezeigt ist.
Andererseits neigt der Wert des Grenzstroms zu einer Abnahme, wenn die NOx-Konzentration niedriger ist. Folglich ist es dann, wenn der Wert des Grenzstroms zu gering ist, wahrscheinlich, dass die Messgenauigkeit dadurch abnimmt, dass sie durch Fehler oder dergleichen beeinflusst wird. Folglich erreicht beispielsweise, wie es durch die 7 gezeigt ist, in der zweiten Messpumpzelle 41b, wenn die NOx-Konzentration weniger als 2000 ppm beträgt, der Pumpstrom Ip2b einen kleinen Wert, der weniger als 1 µA beträgt, und es ist wahrscheinlich, dass die Messgenauigkeit abnimmt. Im Gegensatz dazu kann die erste Messpumpzelle 41a das Fließen eines vergleichsweise hohen Grenzstroms selbst dann verursachen, wenn die NOx-Konzentration niedriger ist als in der zweiten Messpumpzelle 41b. Beispielsweise kann, wie es in der 5 angegeben ist, in der ersten Messpumpzelle 41a, wenn die NOx-Konzentration größer als oder gleich 500 ppm ist, bewirkt werden, dass ein Pumpstrom Ip2a von höher als oder gleich 1 µA fließt. Folglich kann selbst in einem Bereich, in dem die NOx-Konzentration höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als 2000 ppm ist und durch die zweite Messpumpzelle 41b momentan nicht gemessen werden kann, die erste Messpumpzelle 41a die NOx-Konzentration genau messen und ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration niedrig ist.
Aus dem Vorstehenden ergibt sich, dass die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration, die eine vergleichsweise niedrige Konzentration ist, die höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als oder gleich 2500 ppm ist, geeignet ist, wohingegen die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration, die eine vergleichsweise hohe Konzentration ist, die höher als oder gleich 2000 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm ist, geeignet ist. Folglich kann das Sensorelement 101 gemäß dieser Ausführungsform durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b die NOx-Konzentration in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration (hier höher als oder gleich 500 ppm und niedriger als oder gleich 10000 ppm) genau erfassen, und zwar verglichen beispielsweise mit einem Sensorelement, das nur eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b umfasst.
Es sollte beachtet werden, dass die Werte der NOx-Konzentration und des Pumpstroms, die in den 4 bis 7 gezeigt sind, Beispiele sind und durch Einstellen des ersten Diffusionswiderstands R₁ und des zweiten Diffusionswiderstands R₂ das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration in jedwedem Bereich erfassen kann. Beispielsweise können durch Erhöhen des Diffusionswiderstands von mindestens einem des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13 und des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 sowohl der erste Diffusionswiderstand R₁ als auch der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. Durch Erhöhen des Diffusionswiderstands des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 kann nur der erste Diffusionswiderstand R₁ erhöht werden. Durch Erhöhen des Diffusionswiderstands des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kann nur der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. Da jeder des ersten bis fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, 13, 30, 60 und 62 gemäß dieser Ausführungsform ein Schlitz ist, kann beispielsweise durch Einstellen des Flächeninhalts eines Querschnitts eines Strömungswegs des Schlitzes oder der Länge eines Strömungswegs davon der Diffusionswiderstand eingestellt werden. Es ist bevorzugt, die Diffusionswiderstände des ersten bis fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, 13, 30, 60 und 62 derart einzustellen, dass der Bereich der NOx-Konzentration (hier niedriger als oder gleich 2500 ppm), in dem die lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a vorliegt, mindestens teilweise den Bereich der NOx-Konzentration (hier höher als oder gleich 2000 ppm) überlappt, der einem Bereich, in dem der Wert des Grenzstroms nicht zu klein ist (z.B. dem Bereich von höher als oder gleich 1 µA), in der zweiten Messpumpzelle 41b entspricht. Das Verhältnis R₂/R₁ kann größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Das Verhältnis R₂/R₁ kann aus dem Verhältnis des Grenzstroms zwischen der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b berechnet werden. Insbesondere wird zuerst unter Verwendung eines Modellgases mit einer bekannten NOx-Konzentration der Wert des Pumpstroms Ip2a (d.h., des Pumpstroms Ip2a in dem vorstehend beschriebenen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration), der fließt, wenn die erste Messpumpzelle 41a so gesteuert wird, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht, gemessen. Entsprechend wird unter Verwendung des gleichen Modellgases der Wert des Pumpstroms Ip2b (d.h., des Pumpstroms Ip2b in dem vorstehend beschriebenen Modus zur Messung einer hohen Konzentration), der fließt, wenn die zweite Messpumpzelle 41b so gesteuert wird, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht, gemessen. Darüber hinaus ist, da der Grenzstrom proportional zum Kehrwert des Diffusionswiderstands ist, das Verhältnis Ip2a/Ip2b des Grenzstroms gleich dem Verhältnis R₂/R₁ des Diffusionswiderstands. Folglich ist der Wert des Verhältnisses Ip2a/Ip2b auf der Basis der gemessenen Werte der Wert des Verhältnisses R₂/R₁ und dadurch kann das Verhältnis R₂/R₁ berechnet werden.
Nachstehend wird ein Beispiel beschrieben, in dem der in der vorstehenden Weise aufgebaute Gassensor 100 verwendet wird. Die 8 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel einer Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine zeigt. Diese Routine ist in der Speichereinheit 94 gespeichert und startet beispielsweise nach dem Einschalten des Stroms der Steuervorrichtung 90.
Als Reaktion auf den Start der Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine führt die CPU 92 der Steuereinheit 91 zuerst der Heizeinrichtung 72 Strom zu und beginnt mit der Steuerung der Heizeinrichtung 72 (Schritt S100) und hält das Sensorelement 101 bei einer Temperatur, bei welcher der Festelektrolyt aktiv ist (z.B. 800 °C). Anschließend beginnt die CPU 92 mit der Steuerung der Hauptpumpzelle 21 (Schritt S110) und beginnt auch mit der Steuerung der Hilfspumpzelle 50 (Schritt S120). D.h., die CPU 92 steuert die Hauptpumpzelle 21 durch Durchführen der vorstehend beschriebenen Regelung auf der Basis des Zielwerts Ip1* und des Zielwerts V0* und steuert die Hilfspumpzelle 50 durch Durchführen der vorstehend beschriebenen Regelung auf der Basis des Zielwerts V1*. Jedweder der Schritte S110 und S120 kann früher durchgeführt werden oder die Schritte S110 und S120 können gleichzeitig durchgeführt werden. Dabei tritt das Messgegenstandsgas von dem Gaseinlass 10 durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, den Pufferraum 12, den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13, den ersten inneren Hohlraum 20 und den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30 in dieser Reihenfolge hindurch und erreicht den zweiten inneren Hohlraum 40. Dann tritt das Messgegenstandsgas, das der Einstellung der Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 unterzogen worden ist, durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 hindurch und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61 oder tritt durch den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 hindurch und erreicht den vierten inneren Hohlraum 63.
Anschließend schaltet die CPU 92 zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um (Schritt S130). Insbesondere schaltet die CPU 92 den Umschalter 85 so um, dass die Spannung V2a von der ersten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a erhalten werden kann, und schaltet den Umschalter 86 zum Einstellen der ersten Messpumpzelle 41a als Steuerziel. Folglich führt die CPU 92 die vorstehend beschriebene Regelung auf der Basis des Zielwerts V2* zum Steuern der ersten Messpumpzelle 41a derart durch, dass der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom erreicht. In diesem Modus zur Messung des Zustands einer niedrigen Konzentration bewirkt die zweite Messpumpzelle 41b nicht, dass der Pumpstrom Ip2b fließt. D.h., die zweite Messpumpzelle 41b pumpt nicht Sauerstoff in den vierten inneren Hohlraum 63 hinaus. Anschließend leitet die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a und der ersten Entsprechungsbeziehung 95 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ab (Schritt S140). In der vorstehenden Weise wird die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration gemessen.
Nach dem Schritt S140 bestimmt die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a, ob die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit einer hohen Konzentration vorliegt (Schritt S150). Insbesondere bestimmt die CPU 92, ob der Pumpstrom Ip2a eine vorgegebene Schwelle Ipref1 überschreitet. Die Schwelle Ipref1 wird im Vorhinein als der obere Grenzwert eines Bereichs bestimmt, in dem der Pumpstrom Ip2a niedrig ist und die NOx-Konzentration als niedrige Konzentration betrachtet werden kann, d.h., eines Bereichs, der als zur Messung in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration geeignet erachtet werden kann. Die Schwelle Ipref1 wird beispielsweise auf die Obergrenze (hier 5 µA) des Bereichs, in dem die lineare Beziehung zwischen der NOx-Konzentration und dem Pumpstrom Ip2a in der ersten Messpumpzelle 41a vorliegt, oder einen Wert, der etwas niedriger ist als die Obergrenze durch Bereitstellen eines Spielraums eingestellt. In dieser Ausführungsform wird die Schwelle Ipref1 auf den Wert 4,8 µA eingestellt (ein Wert, welcher der NOx-Konzentration von 2400 ppm entspricht). Wenn der Pumpstrom Ip2a im Schritt S150 niedriger als die oder gleich der Schwelle Ipref1 ist, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S140 durch. D.h., auf der Basis des Pumpstroms Ip2a misst die CPU 92, wenn die NOx-Konzentration nicht in dem Bereich mit hoher Konzentration liegt, d.h., wenn die NOx-Konzentration als niedrige Konzentration erachtet werden kann, kontinuierlich die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration.
Wenn andererseits der Pumpstrom Ip2a im Schritt S150 die Schwelle Ipref1 überschreitet, schaltet die CPU 92 zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um (Schritt S230). Insbesondere schaltet die CPU 92 den Umschalter 85 so um, dass die Spannung V2b von der zweiten Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b erhalten werden kann, und schaltet den Umschalter 86 so, dass die zweite Messpumpzelle 41b als Steuerziel eingestellt wird. Folglich führt die CPU 92 die vorstehend beschriebene Regelung auf der Basis des Zielwerts V2* zum Steuern der zweiten Messpumpzelle 41b derart durch, dass der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom erreicht. In diesem Modus zur Messung des Zustands einer hohen Konzentration bewirkt die erste Messpumpzelle 41a nicht das Fließen des Pumpstroms Ip2a. D.h., die erste Messpumpzelle 41a pumpt nicht Sauerstoff in den dritten inneren Hohlraum 61 hinaus. Anschließend leitet die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b und der zweiten Entsprechungsbeziehung 96 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas ab (Schritt S240). In der vorstehenden Weise wird die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration gemessen.
Nach dem Schritt S240 bestimmt die CPU 92 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b, ob die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich einer niedrigen Konzentration liegt (Schritt S250). Insbesondere bestimmt die CPU 92, ob der Pumpstrom Ip2b kleiner ist als eine vorgegebene Schwelle Ipref2. Die Schwelle Ipref2 wird im Vorhinein als der untere Grenzwert eines Bereichs bestimmt, in dem der Pumpstrom Ip2b hoch ist und die NOx-Konzentration als hohe Konzentration erachtet werden kann, d.h., ein Bereich, der als zur Messung in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration geeignet erachtet werden kann. Die Schwelle Ipref2 wird beispielsweise auf die Untergrenze (hier 1 µA) des Bereichs des Pumpstroms Ip2b, in dem eine Verminderung der Messgenauigkeit, die durch den Einfluss von Fehlern oder dergleichen in der zweiten Messpumpzelle 41b verursacht wird, kein Problem ist, oder einen Wert, der etwas höher ist als die Untergrenze durch Bereitstellen eines Spielraums eingestellt. Darüber hinaus wird zum Verhindern eines häufigen Umschaltens zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration die Schwelle Ipref2 vorzugsweise so eingestellt, dass die NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref2 entspricht, einen kleineren Wert aufweist als die NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref1 entspricht. D.h., es ist bevorzugt, zwischen der NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref1 entspricht, und der NOx-Konzentration, die der Schwelle Ipref2 entspricht, eine Hysterese bereitzustellen. In dieser Ausführungsform wird, wenn dies berücksichtigt wird, die Schwelle Ipref2 auf den Wert 1,05 µA eingestellt (einen Wert, welcher der NOx-Konzentration von 2100 ppm entspricht). Wenn der Pumpstrom Ip2b höher als die oder gleich der Schwelle Ipref2 im Schritt S250 ist, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S240 durch. D.h., auf der Basis des Pumpstroms Ip2b misst die CPU 92, wenn die NOx-Konzentration nicht in dem Bereich mit niedriger Konzentration liegt, d.h., wenn die NOx-Konzentration als eine hohe Konzentration erachtet werden kann, kontinuierlich die NOx-Konzentration in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration. Wenn andererseits der Pumpstrom Ip2b im Schritt S250 niedriger ist als die Schwelle Ipref2, führt die CPU 92 eine Verarbeitung in und nach dem Schritt S130 durch. D.h., die CPU 92 schaltet zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um und misst die NOx-Konzentration.
In der vorstehenden Weise bestimmt die CPU 92 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b, ob der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration oder der Modus zur Messung einer hohen Konzentration zum Erfassen der NOx-Konzentration eingesetzt werden soll. Folglich kann in einer geeigneten Weise zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration und zum genauen Erfassen der Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von der niedrigeren Konzentration zu der hohen Konzentration (z.B. größer als oder gleich 500 ppm und kleiner als oder gleich 10000 ppm in dieser Ausführungsform) umgeschaltet werden.
Es sollte beachtet werden, dass der Wert des Pumpstroms Ip2a unmittelbar nach dem Umschalten von dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration im Schritt S130 instabil sein kann. Folglich kann die CPU 92 den Schritt S140 durchführen, wenn eine vorgegebene Wartezeit vergangen ist. Das Gleiche gilt für die Zeit unmittelbar nach dem Schritt S230.
Nachstehend werden Entsprechungsbeziehungen zwischen Strukturelementen in dieser Ausführungsform und Strukturelementen in der vorliegenden Erfindung klar beschrieben. Die erste Substratschicht 1, die zweite Substratschicht 2, die dritte Substratschicht 3, die erste Festelektrolytschicht 4, die Abstandshalterschicht 5 und die zweite Festelektrolytschicht 6 in dieser Ausführungsform entsprechen einem Elementkörper in der vorliegenden Erfindung; der erste innere Hohlraum 20 und der zweite innere Hohlraum 40 entsprechen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer; die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 entsprechen der Einstellpumpzelle; der dritte innere Hohlraum 61 entspricht der ersten Messkammer; die erste Messelektrode 44 entspricht einer ersten Messelektrode; die erste Messpumpzelle 41a entspricht einer ersten Messpumpzelle; der vierte innere Hohlraum 63 entspricht der zweiten Messkammer; die zweite Messelektrode 45 entspricht einer zweiten Messelektrode; die zweite Messpumpzelle 41b entspricht einer zweiten Messpumpzelle; und die äußere Pumpelektrode 23 entspricht einer ersten äußeren Messelektrode und einer zweiten äußeren Messelektrode. Darüber hinaus entspricht der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entspricht die Steuervorrichtung 90 einer Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases. Die erste Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a entspricht einer ersten Messspannung-Erfassungsvorrichtung und die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82b entspricht einer zweiten Messspannung-Erfassungsvorrichtung.
In dem Gassensor 100 gemäß dieser Ausführungsform, der vorstehend detailliert beschrieben worden ist, umfasst das Sensorelement 101 die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b. Darüber hinaus ist das Sensorelement 101 so ausgebildet, dass der zweite Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 ist, höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 ist. Folglich ist die erste Messpumpzelle 41a zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration niedrig ist, und die zweite Messpumpzelle 41b ist zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, wenn die NOx-Konzentration hoch ist. Durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b kann das Sensorelement 101 die NOx-Konzentration in einem breiten Bereich genau erfassen. Insbesondere in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration erfasst die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2a, der in der ersten Messpumpzelle 41a fließt, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas, wodurch die NOx-Konzentration, die eine niedrige Konzentration ist, genau erfasst wird. Darüber hinaus erfasst in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Werts des Pumpstroms Ip2b, der in der zweiten Messpumpzelle 41b fließt, die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas, wodurch die NOx-Konzentration, die eine hohe Konzentration ist, genau erfasst wird.
Darüber hinaus sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 parallel angeordnet und ferner weist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand auf als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, wodurch der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher gemacht wird als der erste Diffusionswiderstand R₁. Auf diese Weise kann bezüglich des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, die parallel zueinander angeordnet sind, dadurch, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 auf einen höheren Diffusionswiderstand eingestellt wird, der zweite Diffusionswiderstand R₂ vergleichsweise einfach höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand R₁.
Ferner ist der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60) auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen dem Satz aus dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem dritten inneren Hohlraum 61 bereitgestellt, und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) ist auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen dem Satz aus dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 und dem vierten inneren Hohlraum 63 bereitgestellt. Auf diese Weise ist es in Bezug auf einen Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 nicht erforderlich, einen Weg für die erste Messelektrode 44 und einen Weg für die zweite Messelektrode 45 parallel zu trennen. Folglich kann der zweite Diffusionswiderstand R₂ mit einem vergleichsweise einfachen Aufbau höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand R₁.
Ferner schaltet die Steuervorrichtung 90 in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration, wenn die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms Ip2a bestimmt, dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem vorgegebenen Bereich einer hohen Konzentration liegt, zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um; in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration schaltet die Steuervorrichtung 90, wenn die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms Ip2b bestimmt, dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in dem vorgegebenen Bereich einer niedrigen Konzentration liegt, zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um. Folglich kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b in einer geeigneten Weise zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform beschränkt und kann innerhalb des technischen Umfangs der vorliegenden Erfindung selbstverständlich in verschiedenen Modi implementiert werden.
Beispielsweise gibt es in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform keinen Weg, bei dem das Messgegenstandsgas durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 hindurchtritt und den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht, oder keinen Weg, bei dem das Messgegenstandsgas durch den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 hindurchtritt und den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht. Ein solcher Weg kann jedoch vorliegen. Beispielsweise kann, wie es in der 9 gezeigt ist, zwischen dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 ein sechster Diffusionsrateneinstellabschnitt 64 ausgebildet sein, der bewirkt, dass der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 miteinander in Verbindung stehen. In diesem Fall beeinflusst der Diffusionswiderstand des sechsten Diffusionsrateneinstellabschnitts 64 die Werte des ersten Diffusionswiderstands R₁ und des zweiten Diffusionswiderstands R₂, beeinflusst jedoch nicht deren Größenbeziehung. Folglich kann auch in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in der Ausführungsform, die in der 9 gezeigt ist, durch Bewirken, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand R₁. Als Ergebnis ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 als schlitzartige Lücken ausgebildet. Der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann, wie es in der 10 gezeigt ist, der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 als poröser Körper ausgebildet sein (z.B. als poröse Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃)). In diesem Fall können die Diffusionswiderstände durch Einstellen der Porosität, der Porengröße und dergleichen des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 eingestellt werden. Entsprechend können der erste bis dritte und fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 11, 13, 30 und 62 ebenfalls aus porösen Körpern ausgebildet sein.
Wenn mindestens einer des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 ein poröser Körper ist, kann der poröse Körper eine Messelektrode bedecken. Beispielsweise kann, wie es in der 11 gezeigt ist, der poröse vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 die erste Messelektrode 44 bedecken, und der poröse fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 kann die zweite Messelektrode 45 bedecken. In der 11 liegen der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 nicht vor und der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet. In diesem Fall dient das Innere des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60, mit anderen Worten, ein Abschnitt in der Umgebung der ersten Messelektrode 44, als die erste Messkammer wie der dritte innere Hohlraum 61 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Darüber hinaus dient das Innere des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, mit anderen Worten, ein Abschnitt in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, als die zweite Messkammer wie der vierte innere Hohlraum 63 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. In dem Fall der 11 ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60) auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 bereitgestellt und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) ist auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 und auf dem Weg bereitgestellt, der nicht durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verläuft. D.h., der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind parallel angeordnet. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch Bewirken, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Darüber hinaus sind in der 11 der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und die zweite Messelektrode 45 auf einer stromabwärtigen Seite des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und der ersten Messelektrode 44 in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet. Die Anordnung ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise können, wie es in der 12 gezeigt ist, der Satz aus dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der ersten Messelektrode 44 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der zweiten Messelektrode 45 in einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt angeordnet sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 mit verschiedenen Diffusionswiderständen auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40) bereitgestellt, und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 ist der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 gemeinsam. Der Aufbau ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann in einem Abschnitt auf einer stromaufwärtigen Seite des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 der Weg des Messgegenstandsgases auch parallel getrennt sein. Beispielsweise können, wie es in der 13 gezeigt ist, der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 vollständig parallel getrennt sein, so dass kein gemeinsamer Abschnitt vorliegt. In der 13 werden von den Strukturelementen, die in der 2 gezeigt sind, Strukturelemente, die parallel getrennt sind, dadurch unterschieden, dass sie am Ende der Bezugszeichen mit a und b bezeichnet sind. Darüber hinaus ist in jedem eines ersten inneren Hohlraums 20a und eines ersten inneren Hohlraums 20b die innere Pumpelektrode 22 angeordnet. In jedem eines zweiten inneren Hohlraums 40a und eines zweiten inneren Hohlraums 40b ist die Hilfspumpelektrode 51 angeordnet. In der 13 wird der Wert des ersten Diffusionswiderstands R₁ vorwiegend durch einen Summenwiderstand von Diffusionswiderständen eines ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11a, eines zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13a, eines dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30a und des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 bestimmt. Der Wert des zweiten Diffusionswiderstands R₂ wird vorwiegend durch einen Summenwiderstand von Diffusionswiderständen eines ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11b, eines zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13b, eines dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30b und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 bestimmt. Durch Einstellen des Diffusionswiderstands von mindestens einem dieser acht Diffusionsrateneinstellabschnitte, so dass der zweite Diffusionswiderstand R₂ wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform höher gemacht wird als der erste Diffusionswiderstand R₁, ist die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. In dem Beispiel in der 13 weisen der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 den gleichen Diffusionswiderstand auf und stattdessen weist der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13b einen längeren Strömungsweg des Messgegenstandsgases (die Länge in der Vorne-hinten-Richtung in der 13) auf als der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13a, und es wird bewirkt, dass der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13b einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13a. In der vorstehenden Weise kann auch der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher gemacht werden als der erste Diffusionswiderstand R₁. In dem Fall der 13 entspricht der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13a dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der zweite Diffusionsrateneinstellabschnitt 13b entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entsprechen die ersten inneren Hohlräume 20a und 20b und die zweiten inneren Hohlräume 40a und 40b der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer. D.h., in dem Beispiel in der 13 umfasst die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer eine erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (hier den ersten inneren Hohlraum 20a und den zweiten inneren Hohlraum 40a) und eine zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (hier den ersten inneren Hohlraum 20b und den zweiten inneren Hohlraum 40b), die parallel zueinander angeordnet sind.
In der 13 sind der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 vollständig parallel getrennt, so dass kein gemeinsamer Abschnitt vorliegt. Wie es in der 2 gezeigt ist, können die Wege jedoch teilweise gemeinsam sein. Beispielsweise kann in der 13 der Weg in dem Gaseinlass 10, dem ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 und dem Pufferraum 12 gemeinsam sein, wie dies in der 2 gezeigt ist. Das Sensorelement 101 kann jedweden Aufbau aufweisen, solange der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁, und die Ausführungsform des Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts ist nicht auf die vorstehend beschriebenen verschiedenen Beispiele beschränkt.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erhält die Steuereinheit 91 durch die Verwendung des Umschalters 85 selektiv die Spannung V2a und die Spannung V2b. Der Umschalter 85 kann jedoch weggelassen werden und die Spannung V2a und die Spannung V2b können unabhängig eingespeist werden. Darüber hinaus schaltet die Steuereinheit 91 unter Verwendung des Umschalters 86 selektiv, ob das Steuerziel eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b ist. Der Umschalter 86 kann jedoch weggelassen werden und jede der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b kann unabhängig gesteuert werden. In diesem Fall können zwei variable Stromquellen 46 bereitgestellt werden und jede kann zum Steuern der ersten Messpumpzelle 41a verwendet werden und die andere kann zum Steuern der zweiten Messpumpzelle 41b verwendet werden.
In einem Fall, bei dem die Umschalter 85 und 86 weggelassen sind, kann die CPU 92 während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration (Schritte S130 und S140) bewirken, dass die zweite Messpumpzelle 41b Sauerstoff von dem vierten inneren Hohlraum 63 parallel hinauspumpt. Auf diese Weise kann während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration verhindert werden, dass sich zu viel Sauerstoff in dem vierten inneren Hohlraum 63 ansammelt, und folglich kann unmittelbar nach dem Umschalten zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration der Pumpstrom Ip2b schnell den Grenzstrom erreichen. Folglich kann die CPU 92 die Wartezeit vermindern, bevor der Pumpstrom Ip2b zwischen der Zeit unmittelbar nach dem Schritt S230 und der Zeit vor dem Schritt S240 stabil wird. In diesem Fall kann die CPU 92 eine Konstantstromsteuerung mit der zweiten Messpumpzelle 41b derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip2b den vorgegebenen Zielwert Ip2b* erreicht. Während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration kann bewirkt werden, dass ein ausreichend kleiner Strom fließt, durch den der Pumpstrom Ip2b nicht den Grenzstrom erreicht. D.h., der Zielwert Ip2b* kann auf einen vergleichsweise kleinen Wert eingestellt werden. Alternativ kann die CPU 92 während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration durch Unterscheiden eines Zielwerts V2a* der Spannung V2a der ersten Messpumpzelle 41a und eines Zielwerts V2b* der Spannung V2b der zweiten Messpumpzelle 41b und auch durch Einstellen von V2a* > V2b* die erste Messpumpzelle 41a derart steuern, dass die Spannung V2a den Zielwert V2a* erreicht, und kann die zweite Messpumpzelle 41b derart steuern, dass die Spannung V2b den Zielwert V2b* erreicht. Durch Einstellen von V2a* > V2b* werden die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b so gesteuert, dass die Sauerstoffkonzentration innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 höher wird als die Sauerstoffkonzentration innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 (die Sauerstoffkonzentration in dem vierten inneren Hohlraum 63 nähert sich der Sauerstoffkonzentration in der Umgebung der Referenzelektrode 42 an), d.h., derart, dass die Menge von Sauerstoff, die aus der ersten Messpumpzelle 41a hinausgepumpt wird, kleiner wird als die Menge von Sauerstoff, die aus der zweiten Messpumpzelle 41b hinausgepumpt wird. Folglich kann selbst dann, wenn die CPU 92 eine solche Steuerung durchführt, bewirkt werden, dass der Pumpstrom Ip2b, der einen kleinen Wert aufweist, während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt. Darüber hinaus kann, wenn der Zielwert V2b* in einer geeigneten Weise eingestellt wird, der Strom so klein gemacht werden, dass der Pumpstrom Ip2b nicht der Grenzstrom wird. Wie in den vorstehenden verschiedenen Modifizierungen kann die CPU 92 während des Modus zur Messung einer hohen Konzentration bewirken, dass die erste Messpumpzelle 41a Sauerstoff von dem dritten inneren Hohlraum 61 parallel hinauspumpt.
In einem Fall, bei dem die Umschalter 85 und 86 weggelassen werden, kann die CPU 92 ungeachtet dessen, ob es sich um während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration oder des Modus zur Messung einer hohen Konzentration handelt, stets die gleiche Steuerung mit der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b durchführen. Beispielsweise kann die CPU 92 ungeachtet dessen, ob es sich um während des Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration oder des Modus zur Messung einer hohen Konzentration handelt, die erste Messpumpzelle 41a derart steuern, dass die Spannung V2a den Zielwert V2a* erreicht, und die zweite Messpumpzelle 41 b derart steuern, dass die Spannung V2b den Zielwert V2b* erreicht. In diesem Fall ist die Differenz zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration eine Differenz dahingehend, ob die NOx-Konzentration auf der Basis des Pumpstroms Ip2a abgeleitet wird oder auf der Basis des Pumpstroms Ip2b abgeleitet wird. D.h., in diesem Fall kann die CPU 92 abhängig von dem Bestimmungsergebnis im Schritt S150 oder S250 umschalten, um den Schritt S140 oder den Schritt S240 durchzuführen. Auf diese Weise kann auch wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration verglichen mit einem Fall genau erfasst werden, in dem nur eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b einbezogen ist. Es sollte beachtet werden, dass selbst dann, wenn die CPU 92 eine solche Steuerung durchführt, der Zielwert V2a* und der Zielwert V2b* nicht notwendigerweise derselbe Wert sind.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst das Sensorelement 101 zwei Messpumpzellen, welche die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b sind. Das Sensorelement 101 kann insgesamt jedoch auch drei oder mehr Messpumpzellen umfassen. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 einen dritte Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und die dritte Messkammer umfassen, die parallel zu dem Satz aus dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und dem vierten inneren Hohlraum 63 sind, und eine dritte Messelektrode kann in der dritten Messkammer angeordnet sein. D.h., der folgende allgemeine Ausdruck ist möglich. Wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, kann das Sensorelement 101 eine erste bis n-te Messpumpzelle umfassen, welche die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b umfassen. Wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, kann eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode und eine p-te äußere Messelektrode umfassen und kann so ausgebildet sein, dass sie Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt wird, hinauspumpt, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (des ersten inneren Hohlraums 20 und des zweiten inneren Hohlraums 40 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei die p-te äußere Messelektrode außerhalb des Elementkörpers (den Schichten 1 bis 6 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform) bereitgestellt ist, so dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist. Der Elementkörper kann so ausgebildet sein, dass ein p-ter Diffusionswiderstand R_p, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der p-ten Messelektrode ist, höher ist als ein (p-1)-ter Diffusionswiderstand R_p-1, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (p-1)-ten Messelektrode ist. D.h., R₁ < R₂ < ... R_n-1 < R_n ist erfüllt. Durch selektives Verwenden der ersten bis n-ten Messpumpzelle kann das auf diese Weise ausgebildete Sensorelement 101 die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiteren Bereich (Erfassungsbereich der Konzentration des spezifischen Gases) verglichen mit einem Sensorelement 101, das nur die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b umfasst, genau erfassen. Beispielsweise kann n kleiner als oder gleich 5 sein.
Wenn die NOx-Konzentration unter Verwendung des Sensorelements 101 gemessen wird, das drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, kann die Steuervorrichtung 90 selektiv eine Mehrzahl von Modi nutzen. Insbesondere weist die Steuervorrichtung 90 einen ersten bis n-ten Messmodus auf und wenn q eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann ein q-ter Messmodus ein Modus sein, in dem eine q-te Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der q-ten Messpumpzelle fließt, den Grenzstrom erreicht, und auf der Basis des Werts des Pumpstroms wird die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst. In diesem Fall kann der Gassensor 100 nicht nur die erste und die zweite Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung 82a und 82b umfassen, sondern auch eine dritte bis n-te Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Messpumpsteuerung, so dass sie der jeweiligen ersten bis n-ten Messpumpzelle entsprechen. D.h., wenn q eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann der Gassensor 100 eine q-te Messspannung-Erfassungsvorrichtung umfassen, die eine q-te Messspannung zwischen der Referenzelektrode 42 und einer q-ten Messelektrode erfasst. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 in dem q-ten Messmodus die q-te Messpumpzelle auf der Basis der q-ten Messspannung steuern. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 90 eine Regelung einer variablen Stromquelle, die eine Spannung an die q-te Messpumpzelle anlegt, derart durchführen, dass die q-te Messspannung einen Zielwert erreicht, und kann den Pumpstrom steuern, der in der q-ten Messpumpzelle fließt.
Die Steuervorrichtung 90 kann beispielsweise in der folgenden Weise zwischen dem ersten bis n-ten Messmodus umschalten. D.h., wenn r eine ganze Zahl von 1 bis n ist, kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis eines Pumpstroms, der in einer r-ten Messpumpzelle in einem r-ten Messmodus fließt, wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas den oberen Grenzwert eines r-ten Bereichs überschreitet, der ein Bereich einer vorgegebenen Konzentration des spezifischen Gases ist, der entsprechend dem r-ten Messmodus eingestellt ist, den Messmodus zu einem (r+1)-ten Messmodus ändern (ausgenommen wenn r = n). Entsprechend kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis eines Pumpstroms, der in der r-ten Messpumpzelle in dem r-ten Messmodus fließt, wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas niedriger ist als der untere Grenzwert des r-ten Bereichs, der entsprechend dem r-ten Messmodus eingestellt ist, den Messmodus auf einen (r-1)-ten Messmodus ändern (ausgenommen wenn r = 1). D.h., für jeden des ersten bis n-ten Messmodus wird der Bereich der Konzentration des spezifischen Gases, der für den Messmodus geeignet ist (erster bis n-ter Bereich), im Vorhinein eingestellt (beispielsweise in der Speichereinheit 94 gespeichert). Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms bestimmen, ob die momentane Konzentration des spezifischen Gases einen Bereich überschreitet, der für den momentanen Messmodus geeignet ist oder unterhalb des Bereichs fällt, und gemäß dem Bestimmungsergebnis kann die Steuervorrichtung 90 von dem r-ten Messmodus zu dem benachbarten (r+1)-ten Messmodus oder den benachbarten (r-1)-ten Messmodus umschalten. In diesem Fall schaltet die Steuervorrichtung 90 den Messmodus stufenweise um. Darüber hinaus können in diesem Fall der erste bis n-te Bereich zwischen benachbarten Bereichen teilweise überlappen. Der erste bis n-te Bereich können als Bereich der Konzentration des spezifischen Gases bestimmt werden oder können als Bereich von Zahlenwerten (z.B. des Pumpstroms) bestimmt werden, der als der Bereich der Konzentration des spezifischen Gases erachtet werden kann.
Alternativ kann die Steuervorrichtung 90 das Umschalten des Messmodus um zwei oder mehr Stufen gleichzeitig ermöglichen, wie z.B. ein Umschalten des Messmodus von dem r-ten Messmodus zu einem (r+2)-ten Messmodus. Beispielsweise kann, wenn der vorstehend beschriebene erste bis n-te Bereich im Vorhinein eingestellt wird, die Steuervorrichtung 90 auf der Basis des Pumpstroms, der in der r-ten Messpumpzelle in dem r-ten Messmodus fließt, bestimmen, ob die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem x-ten Bereich liegt, der einer des ersten bis n-ten Bereichs ist, der von dem r-Bereich verschieden ist (x ist eine ganze Zahl größer als oder gleich 1 und kleiner als oder gleich n und von r verschieden), und wenn bestimmt wird, dass die Konzentration des spezifischen Gases in den x-ten Bereich einbezogen ist, kann die Steuervorrichtung 90 den Messmodus zu einem x-ten Messmodus ändern. In der vorstehenden Weise kann, beispielsweise wenn die Konzentration des Messgegenstandsgases abrupt und stark variiert, der Messmodus in einer kürzeren Zeit zu einem geeigneten Messmodus geändert werden als in dem Fall, bei dem der Messmodus stufenweise umgeschaltet wird. Die Bereiche des ersten bis n-ten Bereichs überlappen in diesem Fall vorzugsweise nicht zwischen angrenzenden Bereichen (z.B. sind die Bereiche kontinuierlich).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist „größer als 1 und kleiner als oder gleich 100“ als Zahlenwertbereich des Verhältnisses R₂/R₁ gezeigt. Wenn das Sensorelement 101 drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, kann ebenfalls im Wesentlichen der gleiche Zahlenwertbereich erfüllt sein. Insbesondere kann das Verhältnis R_n/R₁ zwischen dem vorstehend beschriebenen ersten Diffusionswiderstand R₁ und einem n-ten Diffusionswiderstand R_n größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 sein. Der Wert des Verhältnisses R_n/R₁ kann im Wesentlichen mit dem gleichen Verfahren wie für das vorstehend beschriebene Verhältnis R₂/R₁ berechnet werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform sind der Satz aus dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem dritten inneren Hohlraum 61 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und dem vierten inneren Hohlraum 63 parallel zueinander angeordnet. Der Aufbau ist jedoch nicht auf einen parallelen Aufbau beschränkt, solange das Sensorelement 101 so ausgebildet ist, dass der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁. Beispielsweise können, wie es in der 14 gezeigt ist, der Satz aus dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem dritten inneren Hohlraum 61 und der Satz aus dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und dem vierten inneren Hohlraum 63 in Reihe angeordnet sein. In der 14 ist der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt so ausgebildet, dass das Messgegenstandsgas durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 hindurchtritt und den dritten inneren Hohlraum 61 erreicht, in dem die erste Messelektrode 44 angeordnet ist, und dann durch den dritten inneren Hohlraum 61 und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in dieser Reihenfolge hindurchtritt und den vierten inneren Hohlraum 63 erreicht, in dem die zweite Messelektrode 45 angeordnet ist. Dadurch ist in dem Beispiel in der 14, da der Diffusionswiderstand des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, der in Reihe mit dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verbunden ist, vorliegt, der erste Diffusionswiderstand R₁ höher als der zweite Diffusionswiderstand R₂. Darüber hinaus können in diesem Fall beispielsweise durch Erhöhen des Diffusionswiderstands von mindestens einem des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11, des zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitts 13, des dritten Diffusionsrateneinstellabschnitts 30 und des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 sowohl der erste Diffusionswiderstand R₁ als auch der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. Durch Erhöhen des Diffusionswiderstands des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kann nur der zweite Diffusionswiderstand R₂ erhöht werden. In einem Fall, bei dem der Aufbau in der 14 eingesetzt wird, kann wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform durch selektives Verwenden der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b die Konzentration des spezifischen Gases in einem breiten Bereich von einer niedrigen Konzentration zu einer hohen Konzentration genau erfasst werden. Wenn das Sensorelement 101 die vorstehend beschriebene erste bis n-te Messpumpzelle umfasst, müssen beispielsweise ebenfalls nicht alle der ersten bis n-ten Messkammer notwendigerweise parallel zueinander sein, solange der erste bis n-te Diffusionswiderstand R₁ bis R_n R₁ < R₂ < ... R_n-1 < R_n erfüllen. Beispielsweise können alle der ersten bis n-ten Messkammer in Reihe angeordnet sein und die Reihenanordnung und die parallele Anordnung können gemischt sein. Beispielsweise wenn n 3 ist und das Sensorelement 101 eine erste bis dritte Pumpzelle auf einer stromabwärtigen Seite des vierten inneren Hohlraums 63 in dem Sensorelement 101 gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst, können der dritte Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt, die dritte Messkammer und die dritte Messelektrode hinzugefügt werden. In diesem Fall können der dritte innere Hohlraum 61 und der Satz aus dem vierten inneren Hohlraum 63 und der dritten Messkammer parallel zueinander angeordnet sein. Darüber hinaus sind der vierte innere Hohlraum 63 und die dritte Messkammer in Reihe angeordnet.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform schaltet nach dem Schritt S120 zuerst die CPU 92 in dem Schritt S130 zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration um. Nach dem Schritt S120 kann die CPU 92 in dem Schritt S230 jedoch zuerst zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschalten.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform schaltet die CPU 92 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b zwischen dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration um. Das Umschalten ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die CPU 92 auf der Basis eines Signals von einer anderen Vorrichtung, wie z.B. einem Motor-ECU, umschalten.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform kann das Sensorelement 101 eine poröse Schutzschicht (z.B. eine poröse Keramik, wie z.B. Aluminiumoxid (Al₂O₃)) umfassen, die einen Abschnitt um ein vorderes Ende des Elementkörpers bedeckt. Folglich kann die poröse Schutzschicht beispielsweise einen Wärmeschock auf den Elementkörper verhindern, der durch Feuchtigkeit in dem Messgegenstandsgas verursacht wird, und kann einen Riss in dem Elementkörper verhindern. Wenn die poröse Schutzschicht den Gaseinlass 10 bedeckt, beeinflusst der Diffusionswiderstand der porösen Schutzschicht auch die Werte des ersten Diffusionswiderstands R₁ und des zweiten Diffusionswiderstands R₂, die vorstehend beschrieben worden sind.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die innere Pumpelektrode 22 eine Cermetelektrode aus Pt und ZrO₂, die 1 % Au enthält. Die innere Pumpelektrode 22 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die innere Pumpelektrode 22 kann ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität (z.B. mindestens eines von Pt, Rh, Ir, Ru und Pd) und ein Edelmetall mit einer Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität umfassen, welche die katalytische Aktivität des Edelmetalls mit der katalytischen Aktivität (z.B. Au) in Bezug auf ein spezifisches Gas verhindert. So wie die innere Pumpelektrode 22 kann auch die Hilfspumpelektrode 51 ein Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität und ein Edelmetall mit einer Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität umfassen. Jede der äußeren Pumpelektrode 23, der Referenzelektrode 42, der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 kann das vorstehend beschriebene Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität umfassen. Jede der Elektroden 22, 23, 42, 44, 45 und 51 ist vorzugsweise ein Cermet, das ein Edelmetall und ein Sauerstoffionen-leitendes Oxid (z.B. ZrO₂) umfasst, jedoch ist eine oder sind mehrere dieser Elektroden nicht notwendigerweise ein Cermet. Jede der Elektroden 22, 23, 42, 44, 45 und 51 ist vorzugsweise ein poröser Körper, jedoch ist eine oder sind mehrere dieser Elektroden nicht notwendigerweise ein poröser Körper.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erfasst der Gassensor 100 die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. Der Gassensor 100 ist jedoch nicht darauf beschränkt, solange der Gassensor 100 ein Grenzstrom-Gassensor ist, der die Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst. Beispielsweise kann die Konzentration des spezifischen Gases abgesehen von der NOx-Konzentration die Konzentration eines anderen Oxids sein. Wenn das spezifische Gas ein Oxid ist, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, wird Sauerstoff erzeugt, wenn das spezifische Gas selbst in dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 reduziert wird, und folglich werden Erfassungswerte gemäß dem Sauerstoff (z.B. die Pumpströme Ip2a und Ip2b) unter Verwendung der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b erfasst, und die Konzentration des spezifischen Gases kann erfasst werden. Alternativ kann das spezifische Gas auch ein Nicht-Oxid sein, wie z.B. Ammoniak. Wenn das spezifische Gas ein Nicht-Oxid ist, wird durch Umwandeln des spezifischen Gases in ein Oxid (z.B. wenn das spezifische Gas Ammoniak ist, durch Umwandeln von Ammoniak in NO) Sauerstoff erzeugt, wenn das umgewandelte Gas in dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 reduziert wird. Folglich kann die Konzentration des spezifischen Gases wie in einem Fall erfasst werden, bei dem das spezifische Gas ein Oxid ist. Das spezifische Gas kann beispielsweise durch mindestens eine der inneren Pumpelektrode 22 und der Hilfspumpelektrode 51, die als Katalysator wirkt, in ein Oxid umgewandelt werden.
Alternativ kann das spezifische Gas Sauerstoff sein und der Gassensor 100 kann eine Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfassen. Wenn die Steuervorrichtung 90 das Sensorelement 101 derart steuert, dass die Pumpströme Ip2a und Ip2b, die in der ersten und der zweiten Messpumpzelle 41a und 41b fließen, Grenzströme erreichen, während die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 und dem zweiten inneren Hohlraum 40 in dem Sensorelement 101 nicht eingestellt wird, erreichen die Pumpströme Ip2a und Ip2b Werte gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas. Folglich kann die Steuervorrichtung 90 auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b die Sauerstoffkonzentration erfassen. Beispielsweise kann die Steuervorrichtung 90 das Sensorelement 101 zur Durchführung der Konzentrationserfassung-Verarbeitungsroutine in im Wesentlichen der gleichen Weise wie derjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform steuern, mit der Ausnahme, dass die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50 nicht betrieben werden. Darüber hinaus kann die Steuervorrichtung 90 die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b derart steuern, dass jeder der Pumpströme Ip2a und Ip2b den Grenzstrom erreicht, und führt nicht notwendigerweise z.B. die vorstehend beschriebene Regelung derart durch, dass die Spannungen V2a und V2b den Zielwert V2* erreichen. Beispielsweise kann der Wert der Spannung Vp2, durch den der Pumpstrom Ip2a den Grenzstrom in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration erreicht, im Vorhinein bestimmt werden, und die Steuervorrichtung 90 kann die variable Stromquelle 46 so steuern, dass die Spannung Vp2 des Werts in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration angelegt wird. Entsprechend kann der Wert der Spannung Vp2, durch den der Pumpstrom Ip2b den Grenzstrom in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration erreicht, im Vorhinein bestimmt werden. Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als Konzentration des spezifischen Gases erfasst, werden so wie die innere Pumpelektrode 22 und die Hilfspumpelektrode 51 die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 vorzugsweise aus einem Material ausgebildet, dessen Reduktionsvermögen für NOx-Komponenten in dem Messgegenstandsgas vermindert ist. Beispielsweise kann jede der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 das vorstehend beschriebene Edelmetall mit der Funktion des Unterdrückens einer katalytischen Aktivität zusätzlich zu dem vorstehend beschriebenen Edelmetall mit einer katalytischen Aktivität enthalten. Es sollte beachtet werden, dass von der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 die zweite Messelektrode 45 mit dem höheren Diffusionswiderstand von außerhalb zu der Messelektrode zum Erfassen der Sauerstoffkonzentration verwendet wird, wenn Sauerstoff eine hohe Konzentration aufweist, und folglich ist selbst dann, wenn die NOx-Komponenten reduziert werden, der Einfluss auf die Sauerstoffkonzentration gering. Folglich enthält die zweite Messelektrode 45 nicht notwendigerweise beispielsweise das vorstehend beschriebene Edelmetall mit der Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität. Wenn die Sauerstoffkonzentration in einem Messgegenstandsgas, das kein Oxid, wie z.B. NOx, umfasst, gemessen werden soll, enthalten sowohl die erste Messelektrode 44 als auch die zweite Messelektrode 45 nicht notwendigerweise das Edelmetall mit der Funktion des Verhinderns einer katalytischen Aktivität.
Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst, umfasst der Gassensor 100 nicht notwendigerweise die Einstellpumpzelle und die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer. Die 15 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 200 gemäß einer Modifizierung zeigt. In der 15 werden die gleichen Strukturelemente wie diejenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In einem Sensorelement 201 des Gassensors 200 umfasst der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt den Aufbau, welcher der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer entspricht, d.h., den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40 in der 1, nicht und umfasst auch nicht den zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 und den dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30. Folglich tritt das Messgegenstandsgas, das durch den ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11 in den Pufferraum 12 hindurchtritt, direkt durch einen des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, die parallel stromabwärts von dem Pufferraum 12 bereitgestellt sind, hindurch und erreicht jedweden des dritten inneren Hohlraums 61 und des vierten inneren Hohlraums 63. In dem Gassensor 200 erreichen auch die Pumpströme Ip2a und Ip2b, die in der ersten und der zweiten Messpumpzelle 41a und 41b fließen, Werte gemäß der Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas, und folglich kann die Sauerstoffkonzentration auf der Basis der Pumpströme Ip2a und Ip2b erfasst werden. In dem Sensorelement 201, das in der 15 gezeigt ist, ist der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 201 zu dem Pufferraum 12 der ersten Messelektrode 44 und der zweiten Messelektrode 45 gemeinsam. Wie es in der 13 gezeigt ist, können jedoch der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 201 zu der ersten Messelektrode 44 und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 201 zu der zweiten Messelektrode 45 vollständig parallel getrennt sein, so dass kein gemeinsamer Abschnitt vorliegt. In diesem Fall können beispielsweise, solange die ersten Diffusionsrateneinstellabschnitte 11a und 11b, die in der 13 gezeigt sind, vorliegen, der Pufferraum 12, der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und der sechste Diffusionsrateneinstellabschnitt 64 weggelassen werden. Darüber hinaus kann in einem Fall, bei dem die Gaseinlässe 10a und 10b getrennt in dem Sensorelement 201 bereitgestellt sind, wie dies in der 13 der Fall ist, wenn die Öffnungsfläche jedes der Gaseinlässe 10a und 10b so klein ist, dass jeder der Gaseinlässe 10a und 10b als Diffusionsrateneinstellabschnitt wirkt, eine schlitzartige Lücke wie der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 weggelassen werden. In diesem Fall entspricht der Gaseinlass 10a dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der Gaseinlass 10b entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt.
Wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration als die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst, können ebenfalls die vorstehend beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen oder Konfigurationen zum Messen der NOx-Konzentration eingesetzt werden. Beispielsweise kann das Sensorelement 101 die vorstehend beschriebene erste bis n-te Messpumpzelle umfassen und die Steuervorrichtung 90 kann den ersten bis n-ten Messmodus aufweisen. Beispielsweise wenn das Messgegenstandsgas das Abgas eines Verbrennungsmotors ist, kann sich die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas in einem breiteren Grenzbereich als die NOx-Konzentration ändern (z.B. in einem Bereich von weniger als 1 ppm bis mehrere Prozent). Folglich ist es, wenn der Gassensor 100 die Sauerstoffkonzentration erfasst, effektiv, dass das Sensorelement 101 insgesamt drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, so dass der Bereich vergrößert wird, in dem die Sauerstoffkonzentration genau erfasst werden kann (Erfassungsbereich der Sauerstoffkonzentration).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist der Elementkörper des Sensorelements 101 der Schichtkörper mit der Mehrzahl von Festelektrolytschichten (den Schichten 1 bis 6). Der Elementkörper ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Elementkörper des Sensorelements 101 kann mindestens eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfassen. Beispielsweise kann es sich bei den Schichten 1 bis 5, die von der zweiten Festelektrolytschicht 6 in der 1 verschieden sind, um eine Schicht handeln, die aus einem Material ausgebildet ist, das von der Festelektrolytschicht verschieden ist (z.B. eine Schicht, die aus Aluminiumoxid ausgebildet ist). In diesem Fall kann jede Elektrode, die in das Sensorelement 101 einbezogen ist, auf der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Beispielsweise können die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 in der 1 auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet sein. Darüber hinaus kann der Referenzgas-Einführungsraum 43 in der Abstandshalterschicht 5 und nicht in der ersten Festelektrolytschicht 4 bereitgestellt sein; die atmosphärische Luft-Einführungsschicht 48 kann zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 und nicht zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der dritten Substratschicht 3 bereitgestellt sein; und die Referenzelektrode 42 kann bezogen auf den dritten inneren Hohlraum 61 rückwärts und auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 bereitgestellt sein.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform stellt die Steuereinheit 91 den Zielwert V0* der Spannung V0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart ein (regelt diesen), dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht, und führt eine Regelung der Spannung Vp0 derart durch, dass die Spannung V0 den Zielwert V0* erreicht. Die Steuereinheit 91 kann jedoch eine weitere Steuerung durchführen. Beispielsweise kann die Steuereinheit 91 eine Regelung der Spannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 derart durchführen, dass der Pumpstrom Ip1 den Zielwert Ip1* erreicht. D.h., die Steuereinheit 91 kann die Erfassung der Spannung V0 von der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 und das Einstellen des Zielwerts V0* nicht durchführen und kann die Spannung Vp0 auf der Basis des Pumpstroms Ip1 direkt steuern (oder den Pumpstrom Ip0 steuern).
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform weist die äußere Pumpelektrode 23 die Rolle von vier Elektroden auf, die eine äußere Hauptpumpelektrode, die ein Paar mit der inneren Pumpelektrode 22 in der Hauptpumpzelle 21 sein soll, eine äußere Hilfspumpelektrode, die ein Paar mit der Hilfspumpelektrode 51 in der Hilfspumpzelle 50 sein soll, die erste äußere Messelektrode, die ein Paar mit der ersten Messelektrode 44 in der ersten Messpumpzelle 41a sein soll, und die zweite äußere Messelektrode, die ein Paar mit der zweiten Messelektrode 45 in der zweiten Messpumpzelle 41b sein soll, sind. Die äußere Pumpelektrode 23 ist jedoch nicht darauf beschränkt. Mindestens eine der äußeren Hauptpumpelektrode, der äußeren Hilfspumpelektrode, der ersten äußeren Messelektrode und der zweiten äußeren Messelektrode kann derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt sein, dass sie unabhängig von der äußeren Pumpelektrode 23 mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist. Wenn das Sensorelement 101 drei oder mehr Messpumpzellen umfasst, kann auch die äußere Pumpelektrode 23 alle Rollen der ersten bis n-ten äußeren Messelektroden aufweisen, und mindestens eine der ersten bis n-ten äußeren Messelektroden kann derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt sein, dass sie mit dem Messgegenstandsgas unabhängig von der äußeren Pumpelektrode 23 in Kontakt ist.
Als ein weiteres Beispiel der Ausführungsform, in der ein Diffusionsrateneinstellabschnitt, der in den 10 bis 12 gezeigt ist, als poröser Körper ausgebildet ist, kann auch die in der 16 gezeigte Ausführungsform genannt werden. In der 16 sind sowohl der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 als auch der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 als poröse Körper ausgebildet, der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 bedeckt die erste Messelektrode 44 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bedeckt die zweite Messelektrode 45. In der 16 liegen der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 nicht vor, der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 ist so angeordnet, dass er zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 ist so angeordnet, dass er zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist. Darüber hinaus steht jeder des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 mit dem zweiten inneren Hohlraum 40 in Verbindung. Insbesondere liegt das vordere Ende von jedem des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 zu dem zweiten inneren Hohlraum 40 frei. Die erste Messelektrode 44 ist auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet und ist mit dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 bedeckt. Die zweite Messelektrode 45 ist auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet und ist mit dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bedeckt. In der Ausführungsform in der 16 sind anders als in den 11 und 12 der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 nicht innerhalb des zweiten inneren Hohlraums 40 angeordnet, sondern befinden sich auf einer stromabwärtigen Seite des zweiten inneren Hohlraums 40 und sind zwischen zwei Festelektrolytschichten angeordnet und innerhalb des Elementkörpers eingebettet. Auch in der Ausführungsform in der 16 dient wie in den Ausführungsformen in den 11 und 12 das Innere des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60, d.h., ein Abschnitt in der Umgebung der ersten Messelektrode 44, als die erste Messkammer, und das Innere des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62, d.h., ein Abschnitt in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45, dient als die zweite Messkammer. Auch in der Ausführungsform in der 16 ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60) auf dem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 bereitgestellt, und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) ist auf dem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 und auf dem Weg bereitgestellt, der nicht durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verläuft. D.h., der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind parallel angeordnet. Folglich ist wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, wenn bewirkt wird, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. Die Diffusionswiderstände des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 können beispielsweise durch Einstellen von mindestens einem der Porosität, der Porengröße, der Dicke (der vertikalen Länge, die in der 16 gezeigt ist), der Breite (horizontale Länge) und der Länge von einem Ende auf der stromaufwärtigen Seite zu einer Messelektrode (Vorne-hinten-Länge) von jedem des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 eingestellt werden. In dem Beispiel in der 16 erfolgt dies dadurch, dass die Länge von dem Ende auf der stromaufwärtigen Seite (d.h., dem vorderen Ende) des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 zu dem vorderen Ende der zweiten Messelektrode 45 größer eingestellt wird als die Länge von dem vorderen Ende in dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 zu dem vorderen Ende der ersten Messelektrode 44. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 weist einen höheren Diffusionswiderstand auf als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und die erste Messelektrode 44, die in der 16 gezeigt sind, können beispielsweise in der folgenden Weise hergestellt werden. Auf der unteren Oberfläche einer Keramikgrünlage, die der zweiten Festelektrolytschicht 6 entspricht, wird eine Paste zur Bildung des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und der ersten Messelektrode 44 gedruckt und die Keramikgrünlage und eine Keramikgrünlage, die der Abstandshalterschicht 5 entspricht, werden schichtartig angeordnet und gebrannt. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 und die zweite Messelektrode 45 können im Wesentlichen in der gleichen Weise hergestellt werden.
Darüber hinaus kann mindestens einer des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 in der 16 eine schlitzartige Lücke anstelle eines porösen Körpers sein. Beispielsweise verschwindet in dem vorstehenden Herstellungsverfahren, wenn anstelle der Paste zur Bildung des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 (poröser Körper) in der 16 eine Paste aus einem verschwindenden Material (z.B. Theobromin) gedruckt wird, die durch Erwärmen verschwindet, die Paste durch Brennen nach dem schichtartigen Anordnen der Keramikgrünlagen zur Bildung der Schichten 1 bis 6, und dadurch kann der Abschnitt des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 in der 16 als eine schlitzartige Lücke (Raum) zwischen der zweiten Festelektrolytschicht 6 und der Abstandshalterschicht 5 ausgebildet werden. Das Gleiche gilt für den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in der 16. Wenn der Abschnitt des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 in der 16 als schlitzartige Lücke ausgebildet ist, entspricht in dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 insbesondere ein Abschnitt von einem Ende auf einer stromaufwärtigen Seite (d.h., dem vorderen Ende) des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 zu dem vorderen Ende der ersten Messelektrode 44 dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entspricht eine Lücke (Raum) in der Umgebung der ersten Messelektrode 44 in dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 der ersten Messkammer. Wenn der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 eine schlitzartige Lücke ist, kann der Diffusionswiderstand des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 beispielsweise durch Einstellen von mindestens einem der Dicke, der Breite und der Länge von dem einen Ende auf der stromaufwärtigen Seite zu der ersten Messelektrode 44 des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 eingestellt werden. Das Gleiche gilt für einen Fall, in dem der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 eine schlitzartige Lücke ist. In diesem Fall entspricht in dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 insbesondere ein Abschnitt von einem Ende auf einer stromaufwärtigen Seite (d.h., dem vorderen Ende) des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 zu dem vorderen Ende der zweiten Messelektrode 45 dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. Darüber hinaus entspricht eine Lücke (Raum) in der Umgebung der zweiten Messelektrode 45 in dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 der zweiten Messkammer.
Als ein weiteres Beispiel der Ausführungsform, die in der 13 gezeigt ist, in welcher der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 vollständig parallel getrennt sind, so dass kein gemeinsamer Abschnitt vorliegt, kann auch die in der 17 gezeigte Ausführungsform genannt werden. Obwohl der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in zwei parallele Wege getrennt ist, die sich auf der rechten und auf der linken Seite in der 13 befinden, ist der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt in zwei Wege in einem oberen Abschnitt und einem unteren Abschnitt in der 17 getrennt. Darüber hinaus ist in dem Sensorelement 101 in der 17 der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der ersten Messelektrode 44 (oberer Weg) aus einem porösen Körper 65a ausgebildet und der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 101 zu der zweiten Messelektrode 45 (unterer Weg) ist aus einem porösen Körper 65b ausgebildet. Der poröse Körper 65a ist so angeordnet, dass er zwischen der Abstandshalterschicht 5 und der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist und innerhalb des Elementkörpers eingebettet ist. Der poröse Körper 65a bedeckt eine innere Pumpelektrode 122, eine Hilfspumpelektrode 151 und die erste Messelektrode 44, die auf der oberen Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 angeordnet ist. Der poröse Körper 65b ist so angeordnet, dass er zwischen der ersten Festelektrolytschicht 4 und der Abstandshalterschicht 5 angeordnet ist, und ist innerhalb des Elementkörpers eingebettet. Der poröse Körper 65b bedeckt eine innere Pumpelektrode 222, eine Hilfspumpelektrode 251 und die zweite Messelektrode 45, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist. In dem Sensorelement 101 in der 17 ist ein Abschnitt des porösen Körpers 65a von außerhalb des Sensorelements 101 zu der inneren Pumpelektrode 122 der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11a, und ein Abschnitt, der dem Pufferraum 12 und dem zweiten Diffusionsrateneinstellabschnitt 13 in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform entspricht, ist nicht in dem porösen Körper 65a bereitgestellt. Darüber hinaus dient ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65a und der inneren Pumpelektrode 122, mit anderen Worten, ein Abschnitt in der Umgebung der inneren Pumpelektrode 122, als Teil der ersten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer sowie als der erste innere Hohlraum 20a in der 13. Entsprechend dient ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65a und der Hilfspumpelektrode 151 als Teil der erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer sowie als der zweite innere Hohlraum 40a in der 13, und ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65a und der ersten Messelektrode 44 dient als die erste Messkammer sowie als der dritte innere Hohlraum 61 in der 13. Darüber hinaus ist ein Abschnitt des porösen Körpers 65a zwischen der inneren Pumpelektrode 122 und der Hilfspumpelektrode 151 der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30a und ein Abschnitt des porösen Körpers 65a zwischen der Hilfspumpelektrode 151 und der ersten Messelektrode 44 ist der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60. Das Gleiche wie für den porösen Körper 65a gilt für den porösen Körper 65b. Insbesondere ist ein Abschnitt des porösen Körpers 65b von außerhalb des Sensorelements 101 zu der inneren Pumpelektrode 222 der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11b. Darüber hinaus dient ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65b und der inneren Pumpelektrode 222 als Teil der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, und ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65b und der Hilfspumpelektrode 251 dient als Teil der zweiten Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer, und ein Abschnitt zwischen dem porösen Körper 65b und der zweiten Messelektrode 45 dient als die zweite Messkammer. Darüber hinaus ist ein Abschnitt des porösen Körpers 65b zwischen der inneren Pumpelektrode 222 und der Hilfspumpelektrode 251 der dritte Diffusionsrateneinstellabschnitt 30b, und ein Abschnitt des porösen Körpers 65b zwischen der Hilfspumpelektrode 251 und der zweiten Messelektrode 45 ist der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62. In dem Beispiel in der 17 weist dadurch, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in der Vorne-hinten-Richtung länger eingestellt wird als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in der Vorne-hinten-Richtung, der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand auf als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, und der poröse Körper 65a und der poröse Körper 65b weisen in einem Abschnitt, der von dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 verschieden ist, den gleichen Diffusionswiderstand auf. Folglich ist der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher als der erste Diffusionswiderstand R₁. In dem Sensorelement 101 in der 17 entspricht der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt. In der 17 wird der Diffusionswiderstand von jedem des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 durch Einstellen der Vorne-hinten-Länge eingestellt, jedoch ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Der Diffusionswiderstand des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kann beispielsweise durch Einstellen von mindestens einem der Porosität, der Porengröße, der Dicke (der in der 17 gezeigten vertikalen Länge), der Breite (der Links-rechts-Länge) und der vorstehend genannten Vorne-hinten-Länge eingestellt werden. In dem Sensorelement 101 in der 17 können sich anstelle eines Unterschieds bei den Diffusionswiderständen zwischen dem vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 auf einer stromaufwärtigen Seite davon die Diffusionswiderstände zwischen dem porösen Körper 65a und dem porösen Körper 65b unterscheiden. Beispielsweise können sich die Diffusionswiderstände zwischen dem ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11a und dem ersten Diffusionsrateneinstellabschnitt 11b unterscheiden, und die Diffusionswiderstände können sich zwischen dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30a und dem dritten Diffusionsrateneinstellabschnitt 30b unterscheiden. Der poröse Körper 65a und der poröse Körper 65b in der 17 können mit im Wesentlichen dem gleichen Verfahren wie demjenigen für den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und dem fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in der 16 hergestellt werden.
In der vorstehend beschriebenen Ausführungsform umfasst die erste Messpumpzelle 41a die erste Messelektrode 44 und die äußere Pumpelektrode 23 (die erste äußere Messelektrode). Die erste Messpumpzelle 41a umfasst jedoch nicht notwendigerweise die äußere Pumpelektrode 23, solange Sauerstoff in dem dritten inneren Hohlraum 61 durch die erste Messelektrode 44 hinausgepumpt werden kann. Beispielsweise kann die erste Messpumpzelle 41a die erste Messelektrode 44 und eine erste Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der ersten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird. Entsprechend umfasst die zweite Messpumpzelle 41b nicht notwendigerweise die äußere Pumpelektrode 23 (die zweite äußere Messelektrode), solange Sauerstoff in dem vierten inneren Hohlraum 63 durch die zweite Messelektrode 45 hinausgepumpt werden kann. Beispielsweise kann die zweite Messpumpzelle 41b die zweite Messelektrode 45 und eine zweite Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der zweiten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird. Die erste Hinauspumpziel-Messelektrode und die zweite Hinauspumpziel-Messelektrode können z.B. innerhalb des Elementkörpers des Sensorelements 101 bereitgestellt sein. Das Gleiche gilt für das vorstehend beschriebene Sensorelement gemäß einer Ausführungsform, in die drei oder mehr Messpumpzellen einbezogen sind. D.h., die p-te Messpumpzelle umfasst nicht notwendigerweise die p-te äußere Messelektrode. Beispielsweise kann die p-te Messpumpzelle die p-te Messelektrode und eine p-te Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in der p-ten Messkammer erzeugt wird, hinausgepumpt wird. Das Gleiche gilt für ein Sensorelement, das die Sauerstoffkonzentration als Konzentration eines spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas wie in dem vorstehend beschriebenen Sensorelement 201 in der 15 erfasst. Es sollte beachtet werden, dass die äußere Pumpelektrode 23, d.h., die erste und die zweite äußere Messelektrode in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, „außerhalb des Elementkörpers“ als ein Beispiel eines Abschnitts, der „von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist“, angeordnet ist, und folglich sind die erste und die zweite äußere Messelektrode auch Beispiele der ersten und der zweiten Hinauspumpziel-Messelektrode.
Ein Beispiel eines Falls, bei dem die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b die erste und die zweite Hinauspumpziel-Messelektrode umfassen, die innerhalb des Elementkörpers angeordnet sind, wird unter Bezugnahme auf die 18 bis 20 beschrieben. Die 18 ist eine schematische Schnittansicht, die schematisch ein Beispiel des Aufbaus eines Gassensors 300 gemäß einer Modifizierung zeigt. Die 19 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einem Sensorelement 301. Die 20 ist eine schematische Schnittansicht des dritten inneren Hohlraums 61, des vierten inneren Hohlraums 63 und einer Referenzgaskammer 343 in dem Sensorelement 301. Die 19 zeigt einen Teilschnitt entlang der Vorne-hinten-Richtung und der horizontalen Richtung der Abstandshalterschicht 5 und der inneren Pumpelektrode 22 in dem Sensorelement 301. Die 20 zeigt einen Teilschnitt entlang der Vorne-hinten-Richtung und der horizontalen Richtung der dritten Substratschicht 3 in dem Sensorelement 301. In den 18 bis 20 werden im Wesentlichen die gleichen Strukturelemente wie diejenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und der Modifizierung mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. In dem Sensorelement 301 des Gassensors 300 umfasst der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt die ersten Diffusionsrateneinstellabschnitte 11a und 11b, den ersten inneren Hohlraum 20, zweite innere Hohlräume 340a und 340b, den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62, den dritten inneren Hohlraum 61 und den vierten inneren Hohlraum 63. Die ersten Diffusionsrateneinstellabschnitte 11a und 11b sind als poröse Körper ausgebildet. Der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11a liegt zu der linken Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 und dem ersten inneren Hohlraum 20 frei, und ein Abschnitt des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11a, der zu der linken Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 freiliegt, ist der Gaseinlass 10a. Entsprechend liegt der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11b zu der rechten Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 und dem ersten inneren Hohlraum 20 frei, und ein Abschnitt des ersten Diffusionsrateneinstellabschnitts 11b, der zu der rechten Oberfläche der Abstandshalterschicht 5 freiliegt, ist der Gaseinlass 10b. Die Außenseite des Sensorelements 301 und der erste innere Hohlraum 20 stehen durch die ersten Diffusionsrateneinstellabschnitte 11a und 11b miteinander in Verbindung. Innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 sind die innere Pumpelektrode 22, die auf der unteren Oberfläche der zweiten Festelektrolytschicht 6 angeordnet ist, und eine Sauerstofferfassungselektrode 355 angeordnet, die auf der oberen Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet ist. Die Sauerstofferfassungselektrode 355 befindet sich auf einer stromabwärtigen Seite (hier rückwärts von) der inneren Pumpelektrode 22. Der zweite innere Hohlraum 340a und der zweite innere Hohlraum 340b sind Räume, die sich auf einer stromabwärtigen Seite des ersten inneren Hohlraums 20 befinden und sind dadurch, dass sie durch einen Wandabschnitt 305 geteilt sind, der Teil der Abstandshalterschicht 5 ist, parallel zueinander angeordnet. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind als poröse Körper ausgebildet und sind so in der ersten Festelektrolytschicht 4 eingebettet, dass sie sich vertikal durch die erste Festelektrolytschicht 4 erstrecken. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind im Wesentlichen in einer zylindrischen Form ausgebildet. Die Formen des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 und des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 sind jedoch nicht auf die im Wesentlichen zylindrische Form beschränkt. Beispielsweise können diese Formen quadratische Säulen oder dergleichen sein. Die obere Oberfläche des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60 liegt zu dem zweiten inneren Hohlraum 340a frei und die untere Oberfläche davon liegt zu dem dritten inneren Hohlraum 61 frei. Der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 bildet einen Strömungsweg in der vertikalen Richtung, der bewirkt, dass der zweite innere Hohlraum 340a und der dritte innere Hohlraum 61 miteinander in Verbindung stehen. Die obere Oberfläche des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 liegt zu dem zweiten inneren Hohlraum 340b frei und die untere Oberfläche davon liegt zu dem vierten inneren Hohlraum 63 frei. Der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 bildet einen Strömungsweg in der vertikalen Richtung, der bewirkt, dass der zweite innere Hohlraum 340b und der vierte innere Hohlraum 63 miteinander in Verbindung stehen. Der dritte innere Hohlraum 61 und der vierte innere Hohlraum 63 sind Räume, die in der dritten Substratschicht 3 getrennt ausgebildet sind. Die erste Messelektrode 44 ist in dem dritten inneren Hohlraum 61 angeordnet und die zweite Messelektrode 45 ist in dem vierten inneren Hohlraum 63 angeordnet. Die erste Messelektrode 44 und die zweite Messelektrode 45 sind auf der oberen Oberfläche der zweiten Substratschicht 2 angeordnet. In der dritten Substratschicht 3 ist die Referenzgaskammer 343 ausgebildet, die ein Raum ist, der nicht mit dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 in Verbindung steht. Die Referenzgaskammer 343 ist mit einem Referenzgas (z.B. atmosphärischer Luft) gefüllt. In der Referenzgaskammer 343 sind die Referenzelektrode 42 und eine Hinauspumpziel-Messelektrode 358 angeordnet. Die Referenzelektrode 42 ist auf der unteren Oberfläche der ersten Festelektrolytschicht 4 angeordnet und die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 ist auf der oberen Oberfläche der zweiten Substratschicht 2 angeordnet. Anders als in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist die Heizeinrichtungseinheit 70 zwischen der ersten Substratschicht 1 und der zweiten Substratschicht 2 angeordnet. Das Sensorelement 301 umfasst die Hauptpumpzelle 21, die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80, die erste Messpumpzelle 41a und die zweite Messpumpzelle 41b. Die Hauptpumpzelle 21 umfasst die innere Pumpelektrode 22, die äußere Pumpelektrode 23 und die zweite Festelektrolytschicht 6, die dazwischen angeordnet ist. Die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 umfasst die Sauerstofferfassungselektrode 355, die Referenzelektrode 42 und die erste Festelektrolytschicht 4, die dazwischen angeordnet ist. Die elektromotorische Kraft (Spannung V0) der Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 ist ein Wert, der die Sauerstoffkonzentration innerhalb des ersten inneren Hohlraums 20 repräsentiert. Die erste Messpumpzelle 41a umfasst die erste Messelektrode 44, die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 und die zweite Substratschicht 2. Die zweite Messpumpzelle 41b umfasst die zweite Messelektrode 45, die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 und die zweite Substratschicht 2. Die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 ist eine Elektrode, die in einem Abschnitt bereitgestellt ist, der von dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt verschieden ist, und, wie es vorstehend beschrieben worden ist, innerhalb der Referenzgaskammer 343 angeordnet ist, die das Innere des Elementkörpers des Sensorelements 301 ist. Die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 ist eine Elektrode, die das Ziel ist, zu dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 und dem vierten inneren Hohlraum 63 erzeugt wird, hinausgepumpt wird.
Der Gassensor 300 umfasst die Steuervorrichtung 90 sowie den Gassensor 100. Obwohl dies nicht dargestellt ist, umfasst die Steuervorrichtung 90, die in den Gassensor 300 einbezogen ist, die Steuereinheit 91, die im Wesentlichen mit derjenigen in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform identisch ist. Darüber hinaus umfasst die Steuervorrichtung 90 des Gassensors 300 die variablen Stromquellen 24 und 46 und den Umschalter 86, die in der 18 gezeigt sind. Die Steuereinheit 91 des Gassensors 300 erfasst die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas in der folgenden Weise. Die Steuereinheit 91 führt eine Regelung der Spannung Vp0 der variablen Stromquelle 24 derart durch, dass die Spannung V0, die durch die Sauerstoffpartialdruck-Erfassungssensorzelle zur Hauptpumpsteuerung 80 erfasst wird, den Zielwert V0* erreicht (d.h., die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 erreicht eine vorgegebene niedrige Sauerstoffkonzentration, welche die NOx-Messung im Wesentlichen nicht beeinflusst). Die Spannung Vp0 bewirkt, dass der Strom Ip0 in der Hauptpumpzelle 21 fließt, und Sauerstoff in dem ersten inneren Hohlraum 20 wird zu einem Abschnitt in der Umgebung der äußeren Pumpelektrode 23 hinausgepumpt. Durch den Betrieb der Hauptpumpzelle 21 wird die Sauerstoffkonzentration in dem ersten inneren Hohlraum 20 eingestellt und das Messgegenstandsgas, das der Einstellung der Sauerstoffkonzentration unterzogen worden ist, tritt durch den zweiten inneren Hohlraum 340a und den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in dieser Reihenfolge hindurch und erreicht den dritten inneren Hohlraum 61. Entsprechend tritt das Messgegenstandsgas, das der Einstellung der Sauerstoffkonzentration unterzogen worden ist, durch den zweiten inneren Hohlraum 340b und den fünften Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in dieser Reihenfolge hindurch und erreicht den vierten inneren Hohlraum 63. Darüber hinaus schaltet die Steuereinheit 91 selektiv, ob das Steuerziel eine der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b ist, unter Verwendung des Umschalters 86 um, so dass die NOx-Konzentration unter Verwendung einer der ersten Messpumpzelle 41a und der zweiten Messpumpzelle 41b erfasst wird. In einem Fall, bei dem die erste Messpumpzelle 41a verwendet wird, schaltet die Steuereinheit 91 den Umschalter 86 derart um, dass die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 an die erste Messpumpzelle 41a angelegt wird. Dann steuert die Steuereinheit 91 die variable Stromquelle 46 derart, dass die Spannung Vp2 einen vorgegebenen konstanten Wert erreicht. Der konstante Wert wird im Vorhinein als ein Wert bestimmt, der derart ist, dass der Pumpstrom Ip2a, der durch die Spannung Vp2 in der ersten Messpumpzelle 41a fließt, den Grenzstrom erreicht. Durch den Pumpstrom Ip2a, der durch die Spannung Vp2 fließt, wird Sauerstoff von dem dritten inneren Hohlraum 61 zu einem Abschnitt in der Umgebung der Hinauspumpziel-Messelektrode 358 hinausgepumpt, d.h., innerhalb der Referenzgaskammer 343, so dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des dritten inneren Hohlraums 61 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. Dann erfasst die Steuereinheit 91 den Pumpstrom Ip2a als Erfassungswert gemäß dem Sauerstoff, der in dem dritten inneren Hohlraum 61 erzeugt wird und der von einem spezifischen Gas (hier NOx) abgeleitet ist, und berechnet auf der Basis des Pumpstroms Ip2a die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas. In dem Fall der Verwendung der zweiten Messpumpzelle 41b führt die Steuereinheit 91 im Wesentlichen die gleiche Steuerung wie in dem Fall der Verwendung der ersten Messpumpzelle 41a durch, mit der Ausnahme, dass der Umschalter 86 so umgeschaltet wird, dass die Spannung Vp2 der variablen Stromquelle 46 an die zweite Messpumpzelle 41 b angelegt wird und dass die NOx-Konzentration in dem Messgegenstandsgas auf der Basis des Stroms Ip2b berechnet wird, der durch die Spannung Vp2 in der zweiten Messpumpzelle 41b fließt. Der konstante Wert der Spannung Vp2 bei der Verwendung der zweiten Messpumpzelle 41b kann der gleiche Wert wie der konstante Wert der Spannung Vp2, wenn die erste Messpumpzelle 41a verwendet wird, oder ein davon verschiedener Wert sein, solange der konstante Wert im Vorhinein als ein Wert bestimmt wird, so dass der Pumpstrom Ip2b, der durch die Spannung Vp2 fließt, den Grenzstrom erreicht. Dadurch, dass der Pumpstrom Ip2b fließt, wird Sauerstoff von dem vierten inneren Hohlraum 63 zu der Referenzgaskammer 343 hinausgepumpt, so dass Sauerstoff, der durch die Reduktion von NOx in dem Messgegenstandsgas innerhalb des vierten inneren Hohlraums 63 erzeugt wird, im Wesentlichen Null wird. In der vorstehenden Weise erfasst der Gassensor 300 die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in im Wesentlichen der gleichen Weise wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform, mit der Ausnahme, dass ohne Einbeziehen der Hilfspumpzelle 50 Sauerstoff in der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (hier dem ersten inneren Hohlraum 20) nur durch die Verwendung der Hauptpumpzelle 21 eingestellt wird, dass die Spannung Vp2 auf den vorgegebenen konstanten Wert eingestellt wird, anstelle eine Regelung der Spannung Vp2 auf der Basis der Spannung V2 durchzuführen, und dass die erste und die zweite Messpumpzelle 41a und 41b Sauerstoff zu der Referenzgaskammer 343 (in der Umgebung der Hinauspumpziel-Messelektrode 358) innerhalb des Elementkörpers hinauspumpen und nicht zur Außenseite des Sensorelements 301 (in der Umgebung der äußere Pumpelektrode 23).
Dabei ist in dem Sensorelement 301, wie dies in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform der Fall ist, der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60) auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 301 zu der ersten Messelektrode 44 bereitgestellt und der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt (hier der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62) ist auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 301 zu der zweiten Messelektrode 45 und auf dem Weg bereitgestellt, der nicht durch den vierten Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 verläuft. D.h., der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 sind parallel angeordnet. Folglich ist dann, wenn bewirkt wird, dass der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. In dem Beispiel in den 18 und 19 wird der Diffusionswiderstand des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 dadurch erhöht, dass der Durchmesser (Strömungswegbreite) des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kleiner ist als der Durchmesser des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60. In dem Gassensor 300 nutzt wie in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Steuervorrichtung 90 die erste Messpumpzelle 41a in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und nutzt die zweite Messpumpzelle 41b in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration. In dem Gassensor 300 entspricht der erste innere Hohlraum 20 der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 entspricht der ersten Hinauspumpziel-Messelektrode und der zweiten Hinauspumpziel-Messelektrode. Obwohl die Hinauspumpziel-Messelektrode 358 sowohl als die erste Hinauspumpziel-Messelektrode als auch die zweite Hinauspumpziel-Messelektrode dient, können die erste Hinauspumpziel-Messelektrode und die zweite Hinauspumpziel-Messelektrode in dem Sensorelement 301 auch getrennt bereitgestellt werden.
Bei dem Gassensor 300, der in den 18 bis 20 gezeigt ist, können ebenfalls Ausführungsformen eingesetzt werden, die in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und Modifizierung gezeigt sind. Beispielsweise können, obwohl der Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb zu dem ersten inneren Hohlraum 20 in dem Sensorelement 301 ein gemeinsamer Abschnitt des Wegs von außerhalb zu der ersten Messelektrode 44 und des Wegs von außerhalb zu der zweiten Messelektrode 45 ist, alternativ Wege von außerhalb zu dem ersten inneren Hohlraum 20 vollständig parallel getrennt sein, so dass kein gemeinsamer Abschnitt vorliegt. Die 21 ist eine schematische Schnittansicht eines Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitts in einem Fall, bei dem die Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitte in dem Sensorelement 301 vollständig parallel getrennt sind. Da sich der Wandabschnitt 305 in der 21 weiter vorwärts erstreckt als derjenige in der 19, ist der erste innere Hohlraum 20 in die zwei ersten inneren Hohlräume 20a und 20b getrennt. Die innere Pumpelektrode 22 und die Sauerstofferfassungselektrode 355, die in den 18 und 19 gezeigt sind, sind ebenfalls in innere Pumpelektroden 122 und 222 bzw. Sauerstofferfassungselektroden 355a und 355b getrennt und sind in den ersten inneren Hohlräumen 20a und 20b angeordnet. Darüber hinaus ist der zweite innere Hohlraum 340a in der 19 ein Teil des ersten inneren Hohlraums 20a in der 21. Entsprechend ist der zweite innere Hohlraum 340b in der 19 ein Teil des ersten inneren Hohlraums 20b in der 21. In der 21 liegen auf dem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 301 zu der ersten Messelektrode 44 der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11a, der erste innere Hohlraum 20a und der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60 in Reihe vor. Auf dem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements 301 zu der zweiten Messelektrode 45 liegen der erste Diffusionsrateneinstellabschnitt 11b, der erste innere Hohlraum 20b und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 in Reihe vor. In dem Beispiel in der 21 ist wie in der 19 dadurch, dass der Durchmesser des fünften Diffusionsrateneinstellabschnitts 62 kleiner eingestellt wird als der Durchmesser des vierten Diffusionsrateneinstellabschnitts 60, die zweite Messpumpzelle 41b zum Erfassen der NOx-Konzentration geeignet, die höher ist als diejenige in der ersten Messpumpzelle 41a. In dem Beispiel in der 21 umfasst die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer die erste Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (hier den ersten inneren Hohlraum 20a) und die zweite Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer (hier den ersten inneren Hohlraum 20b), die parallel zueinander angeordnet sind.
In der 21 weisen der erste innere Hohlraum 20a und der erste innere Hohlraum 20b die gleiche Breite in der horizontalen Richtung auf und weisen den gleichen Diffusionswiderstand auf. Wie in der 22 können der erste innere Hohlraum 20a und der erste innere Hohlraum 20b verschiedene Diffusionswiderstände aufweisen. In der 22 wird dadurch, dass die Breite des ersten inneren Hohlraums 20b kleiner gemacht wird als die Breite des ersten inneren Hohlraums 20a, der Diffusionswiderstand des ersten inneren Hohlraums 20b höher gemacht als der Diffusionswiderstand des ersten inneren Hohlraums 20a. In der 22 ist, da der erste innere Hohlraum 20b und der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62 einen hohen Diffusionswiderstand aufweisen, die Konfiguration derart ausgebildet, dass der zweite Diffusionswiderstand R₂ höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁. In der 22 entspricht nicht nur der vierte Diffusionsrateneinstellabschnitt 60, sondern auch der erste innere Hohlraum 20a dem ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt, und nicht nur der fünfte Diffusionsrateneinstellabschnitt 62, sondern auch der erste innere Hohlraum 20b entspricht dem zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt.
Verschiedene Ausführungsformen des Gassensors 300, der in den 18 bis 22 gezeigt ist, können in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform und Modifizierung eingesetzt werden. Beispielsweise umfasst in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform die Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer den ersten inneren Hohlraum 20 und den zweiten inneren Hohlraum 40, und die Einstellpumpzelle umfasst die Hauptpumpzelle 21 und die Hilfspumpzelle 50. Wenn jedoch die Sauerstoffkonzentration in dem Messgegenstandsgas nur durch die Verwendung der Hauptpumpzelle 21 ausreichend vermindert werden kann, können der zweite innere Hohlraum 40 und die Hilfspumpzelle 50 weggelassen werden.
Die Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2020 - 060782 , die am 30. März 2020 eingereicht worden ist, und der japanischen Patentanmeldung Nr. 2021-041460 , die am 15. März 2021 eingereicht worden ist, die unter Bezugnahme vollständig hierin einbezogen sind.
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.
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 5323752 B [0003]
JP 2020 [0129]
JP 060782 [0129]
JP 2021041460 [0129]

Claims

Sensorelement zum Erfassen einer Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt; eine Einstellpumpzelle, die eine Sauerstoffkonzentration in einer Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt einstellt; eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer ersten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in der ersten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist; und eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode umfasst und die Sauerstoff, der in einer zweiten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in der zweiten Messkammer angeordnet ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, wobei der Elementkörper derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der ersten Messelektrode ist.
Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die erste Messpumpzelle ferner eine erste äußere Messelektrode umfasst, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert, und wobei die zweite Messpumpzelle ferner eine zweite äußere Messelektrode umfasst, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert.
Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt ferner einen ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt und einen zweiten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt umfasst, wobei der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der ersten Messelektrode bereitgestellt ist, wobei der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases von außerhalb des Sensorelements zu der zweiten Messelektrode und auf dem Weg bereitgestellt ist, der nicht durch den ersten Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt verläuft, und wobei der zweite Diffusionswiderstand R₂ dadurch höher ist als der erste Diffusionswiderstand R₁, dass der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt einen höheren Diffusionswiderstand aufweist als der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt.
Sensorelement nach Anspruch 3, wobei der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und der ersten Messkammer bereitgestellt ist, und wobei der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt auf einem Weg des Messgegenstandsgases zwischen der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer und der zweiten Messkammer bereitgestellt ist.
Sensorelement nach Anspruch 3 oder 4, wobei der erste Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper ist, und wobei der zweite Messelektrode-Diffusionsrateneinstellabschnitt eine schlitzartige Lücke oder ein poröser Körper ist.
Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ferner umfassend: wenn n eine ganze Zahl größer als oder gleich 3 ist, erste bis n-te Messpumpzellen, einschließlich die erste Messpumpzelle und die zweite Messpumpzelle, wobei, wenn p eine ganze Zahl von 3 bis n ist, eine p-te Messpumpzelle eine p-te Messelektrode umfasst und zum Hinauspumpen von Sauerstoff, der in einer p-ten Messkammer aus dem spezifischen Gas erzeugt worden ist, ausgebildet ist, wobei die p-te Messelektrode in der p-ten Messkammer bereitgestellt ist, die auf einer stromabwärtigen Seite der Sauerstoffkonzentration-Einstellkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt bereitgestellt ist, und wobei der Elementkörper derart ausgebildet ist, dass ein p-ter Diffusionswiderstand R_p, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der p-ten Messelektrode ist, höher als ein (p-1)-ter Diffusionswiderstand R_p-1 ist, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu einer (p-1)-ten Messelektrode ist.
Sensorelement nach Anspruch 6, wobei die p-te Messpumpzelle ferner eine p-te äußere Messelektrode umfasst, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie das Messgegenstandsgas kontaktiert.
Sensorelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei ein Verhältnis R_n/R₁ zwischen dem ersten Diffusionswiderstand R₁ und einem n-ten Diffusionswiderstand R_n größer als 1 und kleiner als oder gleich 100 ist.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird.
Gassensor nach Anspruch 9, wobei, wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der ersten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit hoher Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration umschaltet, und wenn die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases auf der Basis des Pumpstroms, der in der zweiten Messpumpzelle in dem Modus zur Messung einer hohen Konzentration fließt, bestimmt, dass die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas in einem vorgegebenen Bereich mit niedriger Konzentration liegt, die Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases zu dem Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration umschaltet.
Sensorelement zum Erfassen einer Sauerstoffkonzentration als Konzentration eines spezifischen Gases in einem Messgegenstandsgas, wobei das Sensorelement umfasst: einen Elementkörper, der eine Sauerstoffionen-leitende Festelektrolytschicht umfasst und einen darin bereitgestellten Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt aufweist, wobei der Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt das Messgegenstandsgas einführt und ein Strömen des Messgegenstandsgases bewirkt; eine erste Messpumpzelle, die eine erste Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die erste Messelektrode in einer ersten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist; und eine zweite Messpumpzelle, die eine zweite Messelektrode umfasst und die Sauerstoff in dem Messgegenstandsgas hinauspumpt, wobei die zweite Messelektrode in einer zweiten Messkammer in dem Messgegenstandsgas-Strömungsabschnitt angeordnet ist, wobei der Elementkörper derart ausgebildet ist, dass ein zweiter Diffusionswiderstand R₂, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der zweiten Messelektrode ist, höher ist als ein erster Diffusionswiderstand R₁, der ein Diffusionswiderstand eines Wegs des Messgegenstandsgases von außerhalb zu der ersten Messelektrode ist.
Sensorelement nach Anspruch 11, wobei die erste Messpumpzelle ferner eine erste äußere Messelektrode umfasst, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist, und wobei die zweite Messpumpzelle ferner eine zweite äußere Messelektrode umfasst, die derart außerhalb des Elementkörpers bereitgestellt ist, dass sie mit dem Messgegenstandsgas in Kontakt ist.
Gassensor, umfassend: das Sensorelement nach Anspruch 11 oder 12; und eine Vorrichtung zur Erfassung der Konzentration eines spezifischen Gases, die einen Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration und einen Modus zur Messung einer hohen Konzentration aufweist, wobei der Modus zur Messung einer niedrigen Konzentration ein Modus ist, bei dem die erste Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der ersten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird, wobei der Modus zur Messung einer hohen Konzentration ein Modus ist, bei dem die zweite Messpumpzelle so gesteuert wird, dass ein Pumpstrom, der in der zweiten Messpumpzelle fließt, ein Grenzstrom wird, und auf der Basis eines Werts des Pumpstroms die Konzentration des spezifischen Gases in dem Messgegenstandsgas erfasst wird.