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JP4914431B2 - Method for determining oxygen concentration of exhaust gas of internal combustion engine and sensor device for determining oxygen concentration of exhaust gas of internal combustion engine - Google Patents

Method for determining oxygen concentration of exhaust gas of internal combustion engine and sensor device for determining oxygen concentration of exhaust gas of internal combustion engine Download PDF

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JP4914431B2 JP2008326307A JP2008326307A JP4914431B2 JP 4914431 B2 JP4914431 B2 JP 4914431B2 JP 2008326307 A JP2008326307 A JP 2008326307A JP 2008326307 A JP2008326307 A JP 2008326307A JP 4914431 B2 JP4914431 B2 JP 4914431B2
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Description

本発明は、所定の固体電解質を基礎とするセンサ素子、つまり、所定のイオン伝導性を有する固体を利用した周知のセンサ素子を基礎としている。こうしたセンサ素子は特に車両において燃料空気混合気の組成を測定するために使用されている。ここでは、当該のセンサ素子はラムダセンサと称されており、ガソリン機関においてもディーゼル機関においても排気ガス中の障害物質の低減のために重要な役割を果たしている。   The present invention is based on a sensor element based on a predetermined solid electrolyte, that is, a known sensor element using a solid having a predetermined ion conductivity. Such sensor elements are used in particular in vehicles to measure the composition of a fuel / air mixture. Here, the sensor element is referred to as a lambda sensor, and plays an important role for reducing obstacle substances in exhaust gas in both gasoline engines and diesel engines.

いわゆる空気過剰率λは実際に供給された空気量と燃焼に必要な理論的な空気量(化学量論的な空気量)とのあいだの比を表しており、内燃機関制御に用いられる。当該の空気過剰率は内燃機関の排気管内の1つまたは複数の位置に配置された1つまたは複数のセンサ素子を介して測定される。リッチ混合気すなわち燃料過剰の混合気は空気過剰率λ<1であり、リーン混合気すなわち空気過剰の混合気は空気過剰率λ>1である。こうしたセンサ素子は内燃機関制御技術のほか、エアコンディショナーにおける空気供給技術、発電所における燃焼器制御技術においても利用されている。   The so-called excess air ratio λ represents the ratio between the amount of air actually supplied and the theoretical amount of air necessary for combustion (the stoichiometric amount of air) and is used for internal combustion engine control. The excess air ratio is measured via one or more sensor elements arranged at one or more positions in the exhaust pipe of the internal combustion engine. A rich mixture, that is, an excess fuel mixture has an excess air ratio λ <1, and a lean mixture, that is, an excess air mixture, has an excess air ratio λ> 1. Such sensor elements are used not only in internal combustion engine control technology, but also in air supply technology in air conditioners and combustor control technology in power plants.

このようなセンサ素子はこれまで種々のものが知られている。その1つに、いわゆる"跳躍的変化センサ(Sprungsonde)"、すなわち、基準気体に曝される基準電極の電位と測定気体に曝される測定電極の電位との電気化学的な電位差を測定するセンサが挙げられる。基準電極および測定電極は固体電解質を介して相互に接続されており、一般に、酸素イオンを伝導する特性に基づいて、ドープされた二酸化ジルコニウム(例えばイットリウム安定化ZrO)その他のセラミックが固体電解質として利用される。理論的には、2つの電極間の電位差はリッチ混合気からリーン混合気へまたはリーン混合気からリッチ混合気への移行時にその特性を跳躍的に変化させる。これを利用して混合気の組成が転換点λ=1を中心としてアクティブに制御される。ネルンストセルとも称されるこうした跳躍的変化センサの種々の例は、独国出願第102004035826号明細書、独国公開第19938416号明細書および独国出願第102005027225号明細書などから公知である。 Various sensor elements have been known so far. One of them is a so-called “Sprungsonde”, that is, a sensor that measures the electrochemical potential difference between the potential of the reference electrode exposed to the reference gas and the potential of the measurement electrode exposed to the measurement gas. Is mentioned. The reference and measurement electrodes are connected to each other via a solid electrolyte, and generally based on the property of conducting oxygen ions, doped zirconium dioxide (eg yttrium stabilized ZrO 2 ) or other ceramic is used as the solid electrolyte. Used. Theoretically, the potential difference between the two electrodes drastically changes its characteristics at the transition from rich mixture to lean mixture or from lean mixture to rich mixture. Using this, the composition of the air-fuel mixture is actively controlled around the turning point λ = 1. Various examples of such jumping change sensors, also referred to as Nernst cells, are known from German Patent Application No. 102004035826, German Patent Publication No. 11993416 and German Application No. 102005027225.

跳躍的変化センサに代えてまたはこれに加えて、固体電解質を介して接続された2つの電極にポンピング電圧を印加し、発生するポンピング電流を測定するいわゆる"ポンピングセンサ"も利用されている。跳躍的変化センサの測定原理との相違点は、ポンピングセルでは通常2つの電極とも測定すべき混合気に接続されるということである。このとき、2つの電極のうち第1の電極は、たいてい透過性の保護層は設けられているものの、直接に測定すべき混合気に曝される。2つの電極のうち第2の電極は混合気が直接に当該の電極に達しないように構成され、特に、当該の第2の電極に接する中空室に対していわゆる"拡散バリア"が設けられる。拡散バリアとしてふつうポーラス径の調整された多孔性セラミック構造体が用いられる。リーン混合気が拡散バリアを通って中空室へ達すると、ポンピング電圧により、酸素分子が第2の負の電極で電気化学的に酸素イオンへ還元され、固体電解質を介して当該の酸素イオンが第1の正の電極へ輸送され、そこから自由な酸素が放出される。センサ素子は少なくともいわゆる限界電流動作モードで駆動される。つまり、センサ素子は、拡散バリアを通って生じる酸素が完全に対向電極へポンピングされるように選定されたポンピング電圧によって駆動される。当該の限界電流動作モードでは、ポンピング電流は排気ガス混合気の酸素分圧に近似的に比例する。このためこうしたセンサ素子はしばしば比例センサとも称される。跳躍的変化センサとは異なり、当該の比例センサは、いわゆる広帯域センサとして、空気過剰率λの広い範囲にわたって利用される。こうした広帯域センサは例えば独国特許第3809154号明細書および独国公開第19938416号明細書に記載されている。   Instead of or in addition to the jumping change sensor, a so-called “pumping sensor” is also used in which a pumping voltage is applied to two electrodes connected via a solid electrolyte and a generated pumping current is measured. The difference from the measurement principle of the jumping change sensor is that in a pumping cell, usually both electrodes are connected to the mixture to be measured. At this time, the first electrode of the two electrodes is usually provided with a permeable protective layer, but is directly exposed to the air-fuel mixture to be measured. Of the two electrodes, the second electrode is configured so that the air-fuel mixture does not directly reach the electrode, and in particular, a so-called “diffusion barrier” is provided for the hollow chamber in contact with the second electrode. As a diffusion barrier, a porous ceramic structure with a normally adjusted porous diameter is used. When the lean gas mixture reaches the hollow chamber through the diffusion barrier, the pumping voltage causes oxygen molecules to be electrochemically reduced to oxygen ions at the second negative electrode, and the oxygen ions pass through the solid electrolyte. It is transported to one positive electrode from which free oxygen is released. The sensor element is driven at least in a so-called limiting current operating mode. That is, the sensor element is driven by a pumping voltage selected such that oxygen generated through the diffusion barrier is completely pumped to the counter electrode. In this limiting current mode of operation, the pumping current is approximately proportional to the oxygen partial pressure of the exhaust gas mixture. For this reason, such sensor elements are often also referred to as proportional sensors. Unlike the jumping change sensor, the proportional sensor is used as a so-called broadband sensor over a wide range of excess air ratio λ. Such a broadband sensor is described, for example, in DE 3809154 and DE 1 998 416.

多くのセンサ素子が、例えば跳躍的変化センサとして動作する1つまたは複数のセンサセルと比例センサとして動作する1つまたは複数のセンサセルとを含み、上述したセンサ原理の組み合わせによって動作する。例えばポンピングセルの原理にしたがって動作する"シングルセル"にネルンストセルを組み合わせることによってこれを"ダブルセル"へ拡張することができる。このような構造は例えば欧州特許第0678740号明細書に記載されている。このとき、ネルンストセルにより、上述した第2の電極に接する中空室で酸素分圧が測定され、ポンピング電圧は中空室内でつねに条件λ=1が支配的となるように追従制御される。   Many sensor elements include, for example, one or more sensor cells that operate as jumping change sensors and one or more sensor cells that operate as proportional sensors, and operate according to a combination of the sensor principles described above. For example, this can be extended to a “double cell” by combining a Nernst cell with a “single cell” operating according to the principle of a pumping cell. Such a structure is described, for example, in EP 0 678 740. At this time, the oxygen partial pressure is measured by the Nernst cell in the hollow chamber in contact with the second electrode described above, and the pumping voltage is controlled so that the condition λ = 1 is always dominant in the hollow chamber.

排気ガス中の酸素量を求めるために、複数のセルから成るセンサ素子、典型的には3つの電極を有するガスセンサを備えた電流計測式ガスセンサを用いることもできる。ここでは、保護層の下方に位置する外側ポンピング電極APEと拡散バリアの後方に配置された内部ポンピング電極IPEとのあいだにポンピング電圧が印加される。さらに、内部ポンピング電極IPEと基準空気に曝される基準電極REとのあいだのネルンスト電圧を測定することにより、外側ポンピング電極と内側ポンピング電極とのあいだのポンピング電圧の符号、有利には符号および値がダイナミックに調整される。このようにしてリーン排気ガスでは酸素イオンが正のポンピング電圧により内側ポンピング電極から外側ポンピング電極へポンピングされる。後方へ流れる酸素の量が酸素バリアにより制限されるので、内側ポンピング電極と外側ポンピング電極とのあいだで測定されるポンピング電流は排気ガス中の酸素量の尺度となる。これに対して、リッチ排気ガスでは水または二酸化炭素が外側ポンピング電極で分解され、負のポンピング電圧により酸素イオンが内側ポンピング電極へポンピングされる。ポンピングされた酸素は水素および一酸化炭素と反応するが、生じた後方流は拡散バリアにより制限される。内側ポンピング電極IPEと基準電極REとのあいだの電圧を測定することにより、過剰な量の酸素がポンピングされず、リッチガスの飽和のステータスt=1が内側ポンピング電極IPEに発生するちょうどの量の酸素がポンピングされることが保証される。これによりポンピング電流はリッチ領域において排気ガス中の酸素不足量の尺度となる。こうしたセンサ素子の例はRobert Bosch GmbH, "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001の116頁〜117頁に記載されている。   In order to obtain the amount of oxygen in the exhaust gas, a current measuring gas sensor including a sensor element composed of a plurality of cells, typically a gas sensor having three electrodes, may be used. Here, a pumping voltage is applied between the outer pumping electrode APE located below the protective layer and the inner pumping electrode IPE arranged behind the diffusion barrier. Furthermore, by measuring the Nernst voltage between the internal pumping electrode IPE and the reference electrode RE exposed to the reference air, the sign, preferably sign and value, of the pumping voltage between the outer pumping electrode and the inner pumping electrode is measured. Is dynamically adjusted. Thus, in the lean exhaust gas, oxygen ions are pumped from the inner pumping electrode to the outer pumping electrode by a positive pumping voltage. Since the amount of oxygen flowing backward is limited by the oxygen barrier, the pumping current measured between the inner and outer pumping electrodes is a measure of the amount of oxygen in the exhaust gas. In contrast, in rich exhaust gas, water or carbon dioxide is decomposed by the outer pumping electrode, and oxygen ions are pumped to the inner pumping electrode by a negative pumping voltage. Pumped oxygen reacts with hydrogen and carbon monoxide, but the resulting back flow is limited by a diffusion barrier. By measuring the voltage between the inner pumping electrode IPE and the reference electrode RE, an excessive amount of oxygen is not pumped, and a rich gas saturation status t = 1 is generated at the inner pumping electrode IPE. Is guaranteed to be pumped. As a result, the pumping current is a measure of the oxygen deficiency in the exhaust gas in the rich region. Examples of such sensor elements are described in Robert Bosch GmbH, “Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2001, pages 116-117.

複数のセルから成るセンサ構造、例えば前述したダブルセル構造の欠点は、センサ素子が複雑化することである。特に、電極の数および/または電極へ通じる線路の数はコストを増大させるので、できるかぎり低減しなければならない。また、シングルセルへのアクセスも可能であるほうがよい。しかし、2つの電極を混合気に曝すこのようなシングルセル構造の装置では、実際には、ポンピング電流と混合気の組成とのあいだに一義的な関係が存在しないという重大な問題が存在する。一般にリーン混合気の固定のポンピング電圧では正のポンピング電流すなわちリーンポンピング電流が測定される。リッチ混合気では、一般に、印加されるポンピング電圧が水の組成電圧である約1.23Vを著しく下回る約400mV〜700mV(例えば500mV)の範囲にある場合であっても、正のポンピング電流が生じる。リッチ領域の正のポンピング電流は、混合気に含まれ、アノードの電気化学的電位に影響する水分子または燃焼ガスに帰せられる。これは、固体電解質から出た酸素イオンが、第1の電極において、酸素分子でなく水を形成するからである。HOの形成の際にアノードで開放されるエネルギは、カソードでのHOの分解に必要なエネルギを補償するので、ポンピング電圧は一般に1.23Vを下回る。類似した効果は混合気に存在する他の酸素放出性の酸化還元プロセス、例えばCO/COプロセスにおいても機能する。 A disadvantage of a sensor structure consisting of a plurality of cells, for example the double cell structure described above, is that the sensor elements are complicated. In particular, the number of electrodes and / or the number of lines leading to the electrodes increases costs and must be reduced as much as possible. Moreover, it is better to be able to access a single cell. However, in such a single-cell device that exposes the two electrodes to the air-fuel mixture, there is actually a serious problem that there is no unambiguous relationship between the pumping current and the air-fuel mixture composition. In general, a positive pumping current, ie, a lean pumping current, is measured at a fixed pumping voltage of the lean mixture. A rich mixture generally produces a positive pumping current even when the applied pumping voltage is in the range of about 400 mV to 700 mV (eg, 500 mV), which is significantly below the water composition voltage of about 1.23 V. . The positive pumping current in the rich region is attributed to water molecules or combustion gases that are contained in the mixture and affect the electrochemical potential of the anode. This is because oxygen ions emitted from the solid electrolyte form water, not oxygen molecules, in the first electrode. Energy released at the anode during the formation of H 2 O, so to compensate for the energy required for decomposition of of H 2 O at the cathode, the pumping voltage is typically less than 1.23V. Similar effects also work in other oxygen-releasing redox processes present in the air-fuel mixture, such as CO 2 / CO processes.

したがって、できるだけ電極数および/または線路数が小さく、にもかかわらずできるだけ広い空気過剰率範囲の酸素量を測定できるセンサ素子およびセンサ素子の駆動方法が提供されることが望ましい。独国出願第102005054144号明細書には外側電極および内側電極を備えたガスセンサであって、拡散バリアにより各電極が測定室から分離されたセンサが記載されている。ここで2つの拡散バリアは異なる拡散係数を有する。ここには、ポンピング電圧の極性反転およびポンピング電流の比較により極性反転の前後にリッチ領域とリーン領域とを区別できる回路が提案されている。しかし、当該の明細書に記載されている装置および測定方法には、ポンピング電圧の極性反転を迅速に行わなくてはならないのに、装置の容量により任意の速度でこれを行えないという問題点が存在する。実用のためには、自動車、特に商用車でのラムダ制御に対して有意義なセンサ速度を達成しなければならない。このためにラムダ値の変化が数Hzのクロックで識別され、その時間分解能として少なくとも100ms〜200msが必要である。
独国出願第102004035826号明細書 独国公開第19938416号明細書 独国出願第102005027225号明細書 独国特許第3809154号明細書 欧州特許第0678740号明細書 独国出願第102005054144号明細書 Robert Bosch, "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, p116-p.117
Therefore, it is desirable to provide a sensor element and a driving method of the sensor element that can measure the oxygen amount in the range of the excess air ratio as wide as possible even though the number of electrodes and / or the number of lines is as small as possible. German Patent Application No. 102005054144 describes a gas sensor comprising an outer electrode and an inner electrode, wherein each electrode is separated from the measuring chamber by a diffusion barrier. Here, the two diffusion barriers have different diffusion coefficients. Here, a circuit has been proposed in which the rich region and the lean region can be distinguished before and after the polarity inversion by comparing the polarity inversion of the pumping voltage and the pumping current. However, the apparatus and measurement method described in the specification have a problem that the polarity of the pumping voltage must be quickly reversed, but this cannot be performed at an arbitrary speed due to the capacity of the apparatus. Exists. For practical use, sensor speeds that are meaningful for lambda control in automobiles, especially commercial vehicles, must be achieved. For this purpose, a change in lambda value is identified by a clock of several Hz, and a time resolution of at least 100 ms to 200 ms is required.
German application No. 102004035826 German Publication No. 11993416 German application No. 10500227225 German Patent No. 3809154 European Patent No. 0678740 German application No. 10500454144 Robert Bosch, "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, p116-p.117

本発明の基礎とする課題は、少なくとも1つの測定気体室内の気体の少なくとも1つの物理的特性を求める方法および少なくとも1つの測定気体室内の気体の少なくとも1つの物理的特性を求めるセンサ装置を提供し、上述した従来技術の欠点を回避することである。特に、所定の気体成分の濃度ないし分圧または他の物理的特性を測定可能な方法およびセンサ装置を提供する。なお、当該の方法およびセンサ装置を、排気ガスの酸素濃度を求めるために、従来技術から公知のラムダセンサとともに用いることができると良い。   The problem underlying the present invention is to provide a method for determining at least one physical property of a gas in at least one measurement gas chamber and a sensor device for determining at least one physical property of a gas in at least one measurement gas chamber. It is to avoid the disadvantages of the prior art mentioned above. In particular, methods and sensor devices are provided that can measure the concentration or partial pressure or other physical properties of a given gaseous component. It should be noted that the method and sensor device can be used with a lambda sensor known from the prior art to determine the oxygen concentration of the exhaust gas.

この課題は、少なくとも1つの電極を複数の部分から成る電極すなわち少なくとも2つの部分電極から成る第1の電極および/または第2の電極によって形成し、第1のポンピング電圧の印加のために少なくとも1つの第1の部分電極を用い、第2のポンピング電圧の印加のために第1の部分電極とは異なる少なくとも1つの第2の部分電極を用いることにより解決される。   The object is to form at least one electrode by means of a first electrode and / or a second electrode consisting of a plurality of parts, ie at least two part electrodes, and at least 1 for applying a first pumping voltage. This is solved by using one first partial electrode and using at least one second partial electrode different from the first partial electrode for applying a second pumping voltage.

本発明の方法およびセンサ装置は特に迅速かつ遷移的な測定に適しており、連続的な電流測定および/または電圧測定に代えて、順次に複数回の演算を行うことができる。ここでの演算とは、ポンピング電圧を固定としている場合のポンピング電流の測定や無電流動作での電極間の電圧特性の測定その他の測定過程のことである。こうした遷移的な測定は定義された酸素量が或る電極から次の電極へポンピングされるポンピング過程または電極の充放電(Umladung)に関連したポンピング電圧の意図的な変更に対応している。例えば1つ〜2つのポンピング過程と1つ〜2つの測定過程とを組み合わせて、得られた個々の測定値を計算して一義的かつ正確なラムダ値を求める1つの測定サイクルとすることができる。こうした遷移的な測定の例は上掲した独国出願第102005054144号明細書に記載されている。こうした遷移的な測定方法には種々の例が存在する。   The method and the sensor device of the present invention are particularly suitable for quick and transitional measurement, and can perform a plurality of operations sequentially instead of continuous current measurement and / or voltage measurement. The calculation here refers to measurement of a pumping current when the pumping voltage is fixed, measurement of voltage characteristics between electrodes in a currentless operation, and other measurement processes. These transitional measurements correspond to intentional changes in the pumping voltage associated with a pumping process or electrode charging / discharging (Umladung) where a defined amount of oxygen is pumped from one electrode to the next. For example, one or two pumping steps and one or two measuring steps can be combined to calculate the individual measured values that result in a single measurement cycle for a unique and accurate lambda value. . An example of such a transitional measurement is described in the above-mentioned German Patent Application No. 102005054144. There are various examples of such transitional measurement methods.

本発明の基本的着想は、上述した遷移的な測定方法が電極に接続された容量、特に2重層コンデンサ、中空室気体コンデンサその他のコンデンサの充放電により制限されるという知識を基礎としている。理想的には、電極ないし容量の充放電は時間T=RCのオーダーで行われる。ここでRは線路抵抗および固体電解質抵抗であり、Cは電極の容量である。さらに、当該の遷移的な測定方法の周波数は物理的に制限されており、センサ素子の複雑な構造のみによっても例えば抵抗および容量の低減によって増大する。このような複雑な構造を完全に回避するために、本発明のセンサ装置および方法は、電極の極性反転なしに、また、電極の充放電なしに動作できるように構成されており、こうした制限を克服できる。充放電を回避することにより、一方の部分電極からポンピングセルへそのつど異なる極性のポンピング電圧を印加する際に、2重層コンデンサから他方の部分電極への充放電が回避される。各部分電極は有利には同じ極性で駆動される。このようにすれば迅速な電極の極性反転が可能となる。前述した方法およびセンサ装置は遷移的な測定方法に対して著しく高い周波数を有する。特にλ=1を上回る気体交換の際には個々の部分電極の極性を変更してはならない。センサ信号は著しく迅速に新たな目標値を取ることができる。   The basic idea of the present invention is based on the knowledge that the above-described transitional measurement method is limited by the charge and discharge of the capacitance connected to the electrodes, in particular double layer capacitors, hollow chamber gas capacitors and other capacitors. Ideally, charging / discharging of the electrode or capacitor is performed on the order of time T = RC. Here, R is the line resistance and the solid electrolyte resistance, and C is the capacitance of the electrode. Furthermore, the frequency of such a transitional measurement method is physically limited and increases only by the complex structure of the sensor element, for example by reducing resistance and capacitance. In order to completely avoid such a complicated structure, the sensor device and method of the present invention are configured to operate without reversing the polarity of the electrodes and without charging / discharging the electrodes. It can be overcome. By avoiding charging / discharging, charging / discharging from the double-layer capacitor to the other partial electrode is avoided when applying a pumping voltage having a different polarity from one partial electrode to the pumping cell. Each partial electrode is preferably driven with the same polarity. This makes it possible to quickly reverse the polarity of the electrodes. The methods and sensor devices described above have significantly higher frequencies for transitional measurement methods. In particular, the polarity of the individual partial electrodes must not be changed when the gas exchange exceeds λ = 1. The sensor signal can take a new target value very quickly.

本発明のさらなる利点は、センサ素子の構造が大幅に簡単化されるということである。複数の部分電極が使用されるものの、僅かな数の端子コンタクトしか必要ない構造が達成され、これを前述した測定方法に適用することができる。このようにして製造方法が簡単化され、コストが低下し、素子の故障が回避される。   A further advantage of the present invention is that the structure of the sensor element is greatly simplified. Although a plurality of partial electrodes are used, a structure requiring only a small number of terminal contacts is achieved, and this can be applied to the measurement method described above. In this way, the manufacturing method is simplified, costs are reduced, and device failures are avoided.

本発明の方法およびセンサ装置は少なくとも1つのポンピングセルを備えたセンサ素子を用いている。ポンピングセルは少なくとも1つの第1の電極、少なくとも1つの第2の電極ならびにこれらの電極を接続する固体電解質を有している。固体電解質は特に酸素イオンの輸送に適した二酸化ジルコニウムの固体電解質である。2つの電極の少なくとも一方には直接または間接に測定気体室からの気体が供給される。当該の供給は例えば簡単な気体透過性の保護層(例えばポーラスセラミック層)と接続チャネルとを介して行われ、測定気体室から電極への気体のアクセスを可能にするポンピングセル、拡散バリアその他の中間層から成る中間回路を介さない。それぞれの構造については後述する。   The method and sensor device of the present invention uses a sensor element with at least one pumping cell. The pumping cell has at least one first electrode, at least one second electrode, and a solid electrolyte connecting these electrodes. The solid electrolyte is a zirconium dioxide solid electrolyte particularly suitable for transport of oxygen ions. At least one of the two electrodes is supplied with gas from the measurement gas chamber directly or indirectly. Such a supply can be made, for example, via a simple gas permeable protective layer (eg a porous ceramic layer) and a connecting channel, which allows a gas to be accessed from the measuring gas chamber to the electrode, a diffusion barrier, etc. It does not go through an intermediate circuit consisting of an intermediate layer. Each structure will be described later.

本発明の方法では、上述した着想を利用し、ポンピングセルに対して、まず少なくとも1つの第1のポンピング電圧を印加し、ついで少なくとも1つの第2のポンピング電圧を印加する。2つの電圧の印加は個々の直流電圧および/または交流電圧を印加することにより行われる。特に有利には、2つのポンピング電圧は異なる極性を有する。   In the method of the present invention, using the above-described idea, at least one first pumping voltage is first applied to the pumping cell, and then at least one second pumping voltage is applied. The two voltages are applied by applying individual DC voltages and / or AC voltages. Particularly preferably, the two pumping voltages have different polarities.

本発明の方法では、第1の電極および/または第2の電極が少なくとも2つの部分電極から構成されており、第1のポンピング電圧の印加のために少なくとも1つの第1の部分電極が用いられ、第2のポンピング電圧の印加のために第1の部分電極とは異なる少なくとも1つの第2の部分電極が用いられる。当該のセンサ装置は、上述したセンサ素子のほか、種々のポンピング電圧を印加する種々の部分電極を制御するのに適した電気回路を有する。当該の電気回路は例えば完全にまたは部分的にセンサ素子内に組み込むことができる。また、当該の電気回路は完全にまたは部分的にセンサ素子の外部に配置されていてもよい。特に、当該の電気回路ないしセンサ装置は後述する本発明の方法を実行するための1つまたは複数の装置を有する。このために適切な電子部品、例えば受動部品、能動部品、データ処理装置、電圧源、電流源、電圧測定装置、電流測定装置ならびにこれらの装置とその他の装置とを組み合わせた装置が設けられる。   In the method of the present invention, the first electrode and / or the second electrode is composed of at least two partial electrodes, and at least one first partial electrode is used for applying the first pumping voltage. In order to apply the second pumping voltage, at least one second partial electrode different from the first partial electrode is used. In addition to the sensor element described above, the sensor device has an electric circuit suitable for controlling various partial electrodes to which various pumping voltages are applied. Such an electrical circuit can be incorporated, for example, completely or partially in the sensor element. In addition, the electric circuit may be completely or partially arranged outside the sensor element. In particular, the electrical circuit or sensor device comprises one or more devices for performing the method of the invention described below. For this purpose, suitable electronic components such as passive components, active components, data processing devices, voltage sources, current sources, voltage measuring devices, current measuring devices and devices combining these devices with other devices are provided.

基本的には、本発明の方法は気体の少なくとも1つの物理的特性を推論できる任意の遷移的な測定方法を含むことができる。例えば独国出願第102005054144号明細書に記載された測定方法では、まず第1の極性のポンピング電圧(第1のポンピング電圧)においてポンピング電流が測定され、続いて極性反転された第2の極性のポンピング電圧(第2のポンピング電圧)においてポンピング電流が測定される。ポンピングセルのポンピング方向は非対称であるので、2つのポンピング電流の比較から、リッチ領域とリーン領域とを区別することができる。この比較は例えば正のポンピング電圧で測定されたポンピング電流と負のポンピング電圧で測定されたポンピング電流とを適切に組み合わせて一義的な測定量とすることにより行うこともできる。つまり、気体の物理的特性、特に酸素濃度を直接に結論できる測定量を形成することができる。例えば2つのポンピング電流を単純に加算するかまたは2つのポンピング電流値のうち小さいほうの値すなわち最小値および/または大きいほうの値すなわち最大値が用いられる。基本的には、測定されたポンピング電流の大きなほうの値と小さなほうの値とを任意に線形に組み合わせることができる。   Basically, the method of the invention can include any transitional measurement method that can infer at least one physical property of the gas. For example, in the measuring method described in German Patent Application No. 102005054144, the pumping current is first measured at the pumping voltage of the first polarity (first pumping voltage), and then the second polarity of the polarity reversed. The pumping current is measured at the pumping voltage (second pumping voltage). Since the pumping direction of the pumping cell is asymmetric, the rich region and the lean region can be distinguished from the comparison of the two pumping currents. This comparison can also be performed, for example, by appropriately combining a pumping current measured with a positive pumping voltage and a pumping current measured with a negative pumping voltage to make a unique measurement amount. In other words, it is possible to form a measurable quantity that can directly conclude the physical properties of the gas, particularly the oxygen concentration. For example, two pumping currents are simply added, or the smaller value or minimum value and / or the larger value or maximum value of the two pumping current values is used. Basically, the larger and smaller values of the measured pumping current can be arbitrarily combined linearly.

リッチ動作およびリーン動作での特性曲線を区別するために、ポンピング電流の非対称性は意図的に増幅されるかまたは調整される。特に、本発明のセンサ装置では、第1の電極が第1の接続部を介して測定気体室へ接続され、第2の電極が第2の接続部を介して測定気体室へ接続される。第1の接続部ないし第2の接続部はそれぞれ1つの拡散バリア(第1の拡散バリアないし第2の拡散バリア)を含む。接続部は第1の電極および第2の電極が異なる限界電流を有するように構成される。例えば、接続部の非対称性により、電極のジオメトリも同様に形成される。電極の限界電流は飽和ポンピング電流とも称される。これは少なくとも2つの電極の間のポンピング電圧が増大して達成されうるポンピング電流の最大値である。ここでの限界電流とは、例えば酸素および酸素イオンに対して、固体電解質を通して、カソードとして駆動される電極に達する全ての酸素分子がアノードとしての電極へ完全に輸送される場合に達成される電流値である。通常、センサ素子は、限界電流で、つまり、充分なポンピング電圧を印加されて気体分子の完全な輸送が発生する状態で駆動される。この駆動モードでは、ポンピング電流は気体分子濃度にほぼ比例する。相応に、アノードとして駆動される対向側の電極の限界電流は、アノードをカソードに切り換えて極性反転する実験により求められる。   The pump current asymmetry is intentionally amplified or tuned to distinguish between characteristic curves for rich and lean operations. In particular, in the sensor device of the present invention, the first electrode is connected to the measurement gas chamber via the first connection portion, and the second electrode is connected to the measurement gas chamber via the second connection portion. Each of the first connection portion and the second connection portion includes one diffusion barrier (first diffusion barrier or second diffusion barrier). The connecting portion is configured such that the first electrode and the second electrode have different limiting currents. For example, the geometry of the electrode is similarly formed due to the asymmetry of the connection. The limiting current of the electrode is also called the saturation pumping current. This is the maximum pumping current that can be achieved with an increased pumping voltage between at least two electrodes. The limiting current here is, for example, the current achieved when all oxygen molecules reaching the electrode driven as the cathode are completely transported to the electrode as the anode through the solid electrolyte for oxygen and oxygen ions, for example. Value. Usually, the sensor element is driven at a limiting current, that is, in a state where a sufficient pumping voltage is applied and complete transport of gas molecules occurs. In this drive mode, the pumping current is approximately proportional to the gas molecule concentration. Correspondingly, the limiting current of the opposite electrode driven as the anode is obtained by an experiment in which the polarity is reversed by switching the anode to the cathode.

2つの電極ないし各電極に対応する2つの接続部の各限界電流は、特に、一方または双方の接続部に拡散バリア、すなわち、第1の拡散抵抗または第2の拡散抵抗を設けることにより調整される。各拡散バリアは有利には2つの拡散バリアの拡散抵抗が少なくとも係数1.1、有利には係数1.5〜3だけ異なるように選択される。係数は逆数であってもよい。拡散抵抗とは、拡散バリアの両側での濃度差Δc,長さlおよび断面積Aに応じて、拡散による電流IGasが阻止される抵抗のことであり、
Gas=−D・(A/l)・Δc
で表される。
The limiting currents of the two electrodes or the two connections corresponding to each electrode are adjusted in particular by providing a diffusion barrier, ie a first diffusion resistance or a second diffusion resistance, in one or both connections. The Each diffusion barrier is preferably chosen such that the diffusion resistance of the two diffusion barriers differs by at least a factor 1.1, preferably a factor 1.5-3. The coefficient may be an inverse number. The diffusion resistance is a resistance that prevents the current I Gas due to diffusion according to the concentration difference Δc, the length l, and the cross-sectional area A on both sides of the diffusion barrier.
I Gas = −D · (A / l) · Δc
It is represented by

拡散係数Dは、それぞれ異なる温度依存性を有する気相拡散に対する拡散係数とクヌートセン拡散に対する拡散係数とから成る。拡散抵抗の形成においては、2つの拡散バリアに対して、例えば同じポーラス材料であって、層厚さおよび/または断面積の異なる拡散媒体が用いられる。また、拡散抵抗の適合化のために、異なる拡散媒体を用いることもできる。   The diffusion coefficient D is composed of a diffusion coefficient for gas phase diffusion and a diffusion coefficient for Knutsen diffusion each having different temperature dependence. In the formation of the diffusion resistance, diffusion media having the same porous material and different layer thicknesses and / or cross-sectional areas are used for the two diffusion barriers, for example. Different diffusion media can also be used to adapt the diffusion resistance.

上述した方法およびセンサ素子に代えてまたはこれらに加えて、少なくとも1つの中空室を含むセンサ素子を用いることができる。例えば当該の中空室は気密に閉鎖された中空室であり、測定気体室および/または基準気体室に対して気密に閉鎖されており、ポンピングプロセスに対する中空室への気体の侵入は無視できる。これに代えてまたはこれに加えて、接続部、例えば気体供給孔その他を介して、測定気体室および/または他の室へ中空室を接続することもでき、当該の接続部内に拡散バリアが収容される。   Instead of or in addition to the method and sensor element described above, a sensor element comprising at least one hollow chamber can be used. For example, the hollow chamber is a hermetically closed hollow chamber, which is hermetically closed with respect to the measurement gas chamber and / or the reference gas chamber, and the gas intrusion into the hollow chamber during the pumping process is negligible. Alternatively or additionally, a hollow chamber can be connected to the measurement gas chamber and / or other chambers via a connection, for example a gas supply hole, etc., and a diffusion barrier is accommodated in the connection. Is done.

こうした中空室、特に気密に閉鎖された中空室が用いられる場合、ポンピングセルにより中空室内の少なくとも1つの気体成分の少なくとも1つの分圧が目標値へ向かって制御される。こうした広帯域センサの駆動方法はRobert Bosch GmbH. "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001の116頁〜117頁に記載されている。もちろん他の方法も利用可能である。   When such a hollow chamber, in particular a hermetically closed hollow chamber, is used, the pumping cell controls at least one partial pressure of at least one gas component in the hollow chamber toward a target value. A method for driving such a broadband sensor is described in Robert Bosch GmbH. “Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2001, pages 116-117. Of course, other methods can be used.

本発明では、異なる極性に対して異なる部分電極を用いるという着想を基礎としており、これにより中空室内の分圧が迅速に制御される。なぜなら、異なる極性すなわち異なるポンピング方向に対して、電極の充放電は行われず、それぞれ部分電極が用いられるからである。特に、パルス幅変調法が制御に用いられ、これは、例えば矩形特性の交流電圧の正負の相を調整することにより技術的に容易に実現される。このようにすれば、ポンピングセルの少なくとも一方の電極が中空室内に配置され、制御すべき気体成分の分圧が迅速かつ確実に調整される。   The present invention is based on the idea of using different partial electrodes for different polarities, whereby the partial pressure in the hollow chamber is quickly controlled. This is because the electrodes are not charged / discharged for different polarities, that is, different pumping directions, and partial electrodes are used. In particular, a pulse width modulation method is used for the control, which is easily realized technically, for example, by adjusting the positive and negative phases of a rectangular AC voltage. In this way, at least one electrode of the pumping cell is arranged in the hollow chamber, and the partial pressure of the gas component to be controlled is adjusted quickly and reliably.

例えば、このために、少なくとも1つの制御すべき気体成分について既知の分圧を有する基準中空室および/または少なくとも1つの基準空気チャネルが設けられる。この場合、基準中空室および/または基準空気チャネル内に少なくとも1つの基準電極が配置される。ここで、基準電極と中空室内に配置された測定電極とのあいだの基準電圧は完全にまたは部分的に上述した電極によって測定される基準電圧と同一であり、当該の基準電圧により中空室内の分圧が制御される。   For example, for this purpose a reference hollow chamber and / or at least one reference air channel having a known partial pressure for at least one gas component to be controlled is provided. In this case, at least one reference electrode is arranged in the reference hollow chamber and / or the reference air channel. Here, the reference voltage between the reference electrode and the measurement electrode arranged in the hollow chamber is completely or partially the same as the reference voltage measured by the above-mentioned electrode, and the reference voltage is used for the separation in the hollow chamber. The pressure is controlled.

これに代えてまたはこれに加えて、固体電解質を完全にまたは部分的に多孔性固体電解質として形成し、測定気体室と中空室とのあいだに拡散バリアとして機能させることもできる。この場合には拡散バリアおよび固体電解質は少なくとも部分的に同一である。   Alternatively or additionally, the solid electrolyte can be formed completely or partially as a porous solid electrolyte and function as a diffusion barrier between the measurement gas chamber and the hollow chamber. In this case, the diffusion barrier and the solid electrolyte are at least partly identical.

少なくとも1つの電極を複数の部分電極として構成することにより、センサ装置の特に簡単な構造が達成される。特に第1の部分電極はセンサ素子の表面に配置され、第2の部分電極はセンサ素子の裏面に配置される。センサ素子は特に有利には層構造体であってもよい。また、第1の電極および第2の電極の双方が少なくとも1つの第1の部分電極および少なくとも1つの第2の部分電極を有することもできる。この場合、特に第1の部分電極および第2の部分電極はそれぞれ異なる固体電解質により相互に接続される。   By configuring at least one electrode as a plurality of partial electrodes, a particularly simple structure of the sensor device is achieved. In particular, the first partial electrode is disposed on the front surface of the sensor element, and the second partial electrode is disposed on the back surface of the sensor element. The sensor element may particularly preferably be a layered structure. Also, both the first electrode and the second electrode can have at least one first partial electrode and at least one second partial electrode. In this case, in particular, the first partial electrode and the second partial electrode are connected to each other by different solid electrolytes.

上述したように、本発明のセンサ装置は本発明の方法を実行する電気回路を含むように構成される。電気回路は種々のポンピング電圧に対してそれぞれ異なる部分電極を用いる種々の方式で実現される。特に能動部品および/または受動部品が用いられ、例えば部分電極間の切り換えのための1つまたは複数のスイッチが含まれている。特に簡単には、本発明の方法にしたがってダイオード回路が用いられるか、ダイオード回路を含む電気回路が用いられる。当該のダイオード回路は1つまたは複数の高温ダイオード、特にSiCダイオードを含み、通常のセンサ素子の高い駆動温度に良好に適する。他のダイオード材料としてGaNを用いることもできる。後者のダイオードは特に温度負荷の小さい領域で用いることができる。   As described above, the sensor device of the present invention is configured to include an electrical circuit that performs the method of the present invention. The electrical circuit can be implemented in different ways using different partial electrodes for different pumping voltages. In particular, active and / or passive components are used, for example including one or more switches for switching between partial electrodes. Particularly simply, a diode circuit is used according to the method of the invention, or an electrical circuit including a diode circuit is used. Such diode circuits comprise one or more high temperature diodes, in particular SiC diodes, and are well suited for the high drive temperatures of normal sensor elements. GaN can also be used as another diode material. The latter diode can be used particularly in a region where the temperature load is small.

特に、少なくとも1つの電極のうち少なくとも2つの部分電極は部分線路に接続されており、当該の部分線路にそれぞれ反対極性の1組のダイオードが配置されている。ダイオードの後方、すなわち部分電極に対向する部分線路の端部では、部分線路が1つまたは複数の共通の線路にまとめられている。ダイオード回路のそれぞれの構造については後述する。   In particular, at least two of the at least one electrode are connected to a partial line, and a pair of diodes having opposite polarities are arranged on the partial line. At the back of the diode, that is, at the end of the partial line facing the partial electrode, the partial lines are grouped into one or more common lines. Each structure of the diode circuit will be described later.

さらに、部分電極のそれぞれ、特に異なる電極の部分電極どうしをまとめることもできる。例えば第1の電極の少なくとも1つの第1の部分電極と第2の電極の少なくとも1つの第2の電極とを接続することができる。このようにすれば、充放電が回避され、センサ装置の速度が向上し、特に付加的な線路が省略されることにより、センサ素子の構造がいっそう簡単化される。   Furthermore, it is also possible to combine the partial electrodes, particularly the partial electrodes of different electrodes. For example, at least one first partial electrode of the first electrode and at least one second electrode of the second electrode can be connected. In this way, charging / discharging is avoided, the speed of the sensor device is increased, and the structure of the sensor element is further simplified by omitting additional lines.

本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。   Embodiments of the invention are illustrated and described in detail below.

図1には従来技術の遷移的な測定方法で利用されるセンサ装置110が示されている。ここではセンサ装置110は駆動回路112を有している。この駆動回路は1つまたは複数の電気回路を含み、ポンピング電圧および/またはポンピング電流を形成し、測定機能その他のタスクを担当する。駆動回路112は例えば電流源、電圧源、特にポンピング電流を測定する電流測定装置、特にポンピング電圧および/または基準電圧を測定する電圧測定装置、1つまたは複数の制御装置、ならびに、その他の論理機能およびメモリ機能その他を有する装置などの少なくとも1つの装置を含む。特に駆動回路112は1つまたは複数のデータ処理回路、例えば1つまたは複数のマイクロコンピュータを含む。駆動回路112は中央制御回路と一体のケーシングおよび/または個別のケーシングに収容することもできるし、分散させて複数の個別のケーシングに収容することもできる。少なくとも1つのマイクロコンピュータは例えばプログラム技術により構成されるが、1つまたは複数の構造によって完全にまたは部分的に置換することもできる。   FIG. 1 shows a sensor device 110 used in the transitional measurement method of the prior art. Here, the sensor device 110 has a drive circuit 112. The drive circuit includes one or more electrical circuits, generates pumping voltage and / or pumping current, and is responsible for measurement functions and other tasks. The drive circuit 112 is for example a current source, a voltage source, in particular a current measuring device for measuring the pumping current, in particular a voltage measuring device for measuring the pumping voltage and / or a reference voltage, one or more control devices, and other logic functions. And at least one device such as a device having a memory function and the like. In particular, the drive circuit 112 includes one or more data processing circuits, such as one or more microcomputers. The drive circuit 112 can be housed in a casing integral with the central control circuit and / or in individual casings, or can be distributed and housed in a plurality of individual casings. The at least one microcomputer is configured, for example, by a programming technique, but can be completely or partially replaced by one or more structures.

センサ装置110はセンサ素子114を含む。当該のセンサ素子114は駆動線路116を介して駆動回路112に接続されている。図1に示されている例では、従来技術から公知のセンサ素子が示されている。当該のセンサ素子114は、他のタイプのセンサ素子、例えば後述する本発明のセンサ素子により置換することができる。こうした広帯域センサの駆動方法はRobert Bosch GmbH. "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001の116頁〜117頁に記載されている。センサ素子114は、第1の電極120,固体電解質122および中空室124内に配置された2つの部分電極から成る第2の電極126を備えたポンピングセル118を有する。第1の電極120はこの場合には第1の接続部128を介して測定すべき混合気を含む測定気体室132に接続されており、第2の電極126はセンサ素子114の内部に配置されている。第1の接続部128はここでは気体を透過する簡単な保護層130として構成されている。第2の電極126に対して測定気体室132の気体を供給するために第2の接続部134が設けられている。当該の第2の接続部134は、この実施例では、気体供給孔136,中空室124ならびに気体供給孔136と中空室124とのあいだに配置された対応する第2の拡散バリア138を有する。気体供給孔136は図1の構造体に対して垂直に設けられており、固体電解質122を貫通している。   The sensor device 110 includes a sensor element 114. The sensor element 114 is connected to the drive circuit 112 via the drive line 116. In the example shown in FIG. 1, a sensor element known from the prior art is shown. The sensor element 114 can be replaced by another type of sensor element, for example, the sensor element of the present invention described later. A method for driving such a broadband sensor is described in Robert Bosch GmbH. “Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2001, pages 116-117. The sensor element 114 has a pumping cell 118 comprising a first electrode 120, a solid electrolyte 122 and a second electrode 126 consisting of two partial electrodes arranged in a hollow chamber 124. In this case, the first electrode 120 is connected to the measurement gas chamber 132 containing the air-fuel mixture to be measured via the first connection portion 128, and the second electrode 126 is disposed inside the sensor element 114. ing. Here, the first connection portion 128 is configured as a simple protective layer 130 that transmits gas. In order to supply the gas in the measurement gas chamber 132 to the second electrode 126, a second connection part 134 is provided. In this embodiment, the second connection portion 134 has a gas supply hole 136, a hollow chamber 124, and a corresponding second diffusion barrier 138 disposed between the gas supply hole 136 and the hollow chamber 124. The gas supply hole 136 is provided perpendicular to the structure of FIG. 1 and penetrates the solid electrolyte 122.

さらに、広帯域センサとして構成されたセンサ素子114は、図1の例では、内部に基準電極142の配置された基準空気チャネル140とヒータ素子144とを有している。基準電極142およびヒータ素子144の機能に関しては、特に、従来技術から公知のセンサ素子114について説明したことが相当する。つまり、図1には、外側電極APEとして構成された第1の電極120,内側電極IPEとして構成された第2の電極126および基準電極REとして構成された第3の電極142が示されている。   Furthermore, the sensor element 114 configured as a broadband sensor has a reference air channel 140 and a heater element 144 in which a reference electrode 142 is disposed, in the example of FIG. Regarding the functions of the reference electrode 142 and the heater element 144, it is particularly equivalent to the description of the sensor element 114 known from the prior art. That is, FIG. 1 shows the first electrode 120 configured as the outer electrode APE, the second electrode 126 configured as the inner electrode IPE, and the third electrode 142 configured as the reference electrode RE. .

図2には本発明のセンサ素子114の第1の実施例が示されている。図1ではセンサ装置110の駆動回路112は省略されている。図1の従来のセンサ素子114では第1の電極120は保護層130を介して測定気体室132から分離されていたが、図2の本発明のセンサ素子114では、第1の電極120に測定気体室132の気体を供給する第1の接続部128は第1の拡散バリア146を有する。また、第1の拡散バリア146とともに第1の接続部128を形成する第1の中空室148も設けられている。同様に、第2の電極126は図1の第1の中空室124に対応する第2の中空室150を有しており、この第2の中空室は、第2の拡散バリア138とともに、第2の電極126と測定気体室132とのあいだの第2の接続部134を形成している。さらに、ヒータ素子144が設けられている。   FIG. 2 shows a first embodiment of the sensor element 114 of the present invention. In FIG. 1, the drive circuit 112 of the sensor device 110 is omitted. In the conventional sensor element 114 of FIG. 1, the first electrode 120 is separated from the measurement gas chamber 132 through the protective layer 130. However, in the sensor element 114 of the present invention of FIG. 2, the first electrode 120 is measured. The first connection portion 128 that supplies the gas in the gas chamber 132 has a first diffusion barrier 146. Also provided is a first hollow chamber 148 that forms a first connection 128 with the first diffusion barrier 146. Similarly, the second electrode 126 has a second hollow chamber 150 corresponding to the first hollow chamber 124 of FIG. 1, and this second hollow chamber, along with the second diffusion barrier 138, A second connection portion 134 is formed between the second electrode 126 and the measurement gas chamber 132. Furthermore, a heater element 144 is provided.

図2の本発明のセンサ素子114では、中空室148,150が完全にまたは部分的に固体電解質122によって形成されるカバー層152を介して測定気体室132から分離されている。接続部128,134は図2の実施例では同じ高さに構成されている。これに代えてまたはこれに加えて、接続部に角度を付けたり、図1の例に類似した1つまたは複数の気体供給孔136を設けたりしてもよい。   In the sensor element 114 of the present invention shown in FIG. 2, the hollow chambers 148 and 150 are separated from the measurement gas chamber 132 through a cover layer 152 formed completely or partially by the solid electrolyte 122. The connecting portions 128 and 134 are configured at the same height in the embodiment of FIG. Alternatively or additionally, the connecting portion may be angled or one or more gas supply holes 136 similar to the example of FIG. 1 may be provided.

さらに、電極120,126は図2に示されている実施例では一体として構成されている。図1に示されている従来技術の例では、第2の電極126は2つの部分電極から成り、これら2つの部分電極は相互に電気的に接続されている。本発明によれば図1,図2の構造体は修正され、電極120,126のうち少なくとも一方が2つの部分電極から成り、これら2つの部分電極が相互に独立にコンタクトされるように構成される。複数の部分電極から成る構成の詳細については後述する。独国公開第102005054144号明細書に示されているセンサ素子を本発明により修正して、1つまたは複数の電極が複数の部分電極から成るようにすることもできる。   Furthermore, the electrodes 120 and 126 are constructed as one piece in the embodiment shown in FIG. In the prior art example shown in FIG. 1, the second electrode 126 consists of two partial electrodes, which are electrically connected to each other. In accordance with the present invention, the structure of FIGS. 1 and 2 has been modified so that at least one of the electrodes 120 and 126 comprises two partial electrodes, and these two partial electrodes are configured to contact each other independently. The Details of the configuration including a plurality of partial electrodes will be described later. The sensor element shown in DE 102005054144 can also be modified according to the invention so that one or more electrodes consist of a plurality of partial electrodes.

前述したように、本発明の方法は遷移的な測定方法に基づいている。図3に則して、こうした遷移的な測定方法の第1の実施例を詳細に説明する。遷移的な測定方法の第1の実施例は2つの電極120,126またはこれら2つの電極および固体電解質から成るポンピングセル118の非対称効果を基礎としている。従来の設計では、ポンピングセルは、通常、リーン領域でポンピング電流の特性曲線が一義的に定まり、リッチ領域でポンピング電流が測定不能となるように最適化されていた。図1,図2の実施例では、ポンピングセル118は2つの電極120,126とも測定気体室132に接するように構成されている。こうした設計によれば、V字状の特性曲線が得られる。接続部128,134の拡散抵抗または流れ抵抗の構成に応じて、カソードでHOが分解され、リッチガス反応に対する限界電流がアノードで測定される。電極120,126がアノードおよびカソードのどちらとして機能するかは接続の形態に応じて定められる。リッチ動作およびリーン動作の限界電流は正となり、1次近似での特性曲線は一義的には定まらない。 As described above, the method of the present invention is based on a transitional measurement method. A first embodiment of such a transitional measurement method will be described in detail with reference to FIG. The first embodiment of the transitional measurement method is based on the asymmetric effect of two electrodes 120, 126 or a pumping cell 118 consisting of these two electrodes and a solid electrolyte. In the conventional design, the pumping cell is usually optimized so that the characteristic curve of the pumping current is uniquely determined in the lean region and the pumping current cannot be measured in the rich region. In the embodiment of FIGS. 1 and 2, the pumping cell 118 is configured such that the two electrodes 120 and 126 are in contact with the measurement gas chamber 132. According to such a design, a V-shaped characteristic curve is obtained. Depending on the diffusion resistance or flow resistance configuration of the connections 128, 134, H 2 O is decomposed at the cathode, and the limiting current for the rich gas reaction is measured at the anode. Whether the electrodes 120 and 126 function as an anode or a cathode is determined according to the connection form. The limit current of the rich operation and the lean operation is positive, and the characteristic curve in the first-order approximation is not uniquely determined.

これに対して、図3の実施例のポンピング電流特性曲線は異なっている。こうしたポンピング電流特性曲線は例えば図2に示されているセンサ素子114により測定することができる。ここでは、図2の第1の電極120がアノードとして接続され、第2の電極126がカソードとして接続されている。また、ポンピングセル118を通って流れるポンピング電流I[mA]がY軸に示されており、混合気組成がX軸に示されている。値>0の正の領域では混合気中の酸素Oの分圧p[%]が生じ、値<0の負の領域ではリッチ気体成分の分圧が生じている。これは平衡点λ=1すなわちX軸のゼロ点に対する酸素過剰率に相当する。 In contrast, the pumping current characteristic curves of the embodiment of FIG. 3 are different. Such a pumping current characteristic curve can be measured by the sensor element 114 shown in FIG. 2, for example. Here, the first electrode 120 in FIG. 2 is connected as an anode, and the second electrode 126 is connected as a cathode. Further, the pumping current I p [mA] flowing through the pumping cell 118 is shown on the Y axis, and the mixture composition is shown on the X axis. In the positive region where the value is> 0, the partial pressure p [%] of the oxygen O 2 in the gas mixture is generated, and in the negative region where the value is <0, the partial pressure of the rich gas component is generated. This corresponds to an excess oxygen ratio with respect to the equilibrium point λ = 1, that is, the zero point of the X axis.

図3では、リーン領域154とリッチ領域156とが概略的に表されている。ここにはポンピング電圧の極性が異なる場合に得られる2つの特性曲線158,160が示されている。第1の特性曲線158は、第1の電極120が外部電極として機能し、第2の電極126が内部電極として機能するように接続された状態で得られたものである。第1の特性曲線158ではポンピングセル118でのポンピング電圧は−500mVまでに選定されている。符号は前述した接続の形態によって定まる。この接続状態では、リーン領域154において、第1の特性曲線158のポンピング電流は第2の接続部134の第2の拡散バリア138を通って第2の電極126へ到り、そこで求められる。第2の拡散バリア138は図3ではDB1として表されている。これに対して、リッチ領域156においては、第1の拡散バリア146がポンピング電流の決定因子である。第1の拡散バリア146は図3ではDB2として表されている。また、図3には、ポンピング電圧Uが極性反転したときに得られた第2の特性曲線160も示されている。ポンピング電圧はこのケースでは例えば+500Vであり、符号は前述した接続の形態によって定まる。極性反転されると、第1の電極120が内部電極として機能し、第2の電極126が外部電極として機能する。この場合、2つの拡散バリア146,138の作用は反対となる。なぜなら、内部電極、外部電極および各拡散バリアの機能が交番するからである。少なくともλ=1すなわちp=0の領域では、第1の特性曲線158および第2の特性曲線160は少なくとも近似的にゼロ点を挟んで点対称となっている。 In FIG. 3, the lean region 154 and the rich region 156 are schematically represented. Here, two characteristic curves 158 and 160 obtained when the polarities of the pumping voltages are different are shown. The first characteristic curve 158 is obtained in a state where the first electrode 120 is connected so that it functions as an external electrode and the second electrode 126 functions as an internal electrode. In the first characteristic curve 158, the pumping voltage in the pumping cell 118 is selected up to -500 mV. The code is determined by the connection form described above. In this connected state, in the lean region 154, the pumping current of the first characteristic curve 158 reaches the second electrode 126 through the second diffusion barrier 138 of the second connection 134 and is determined there. The second diffusion barrier 138 is represented as DB1 in FIG. On the other hand, in the rich region 156, the first diffusion barrier 146 is a determinant of the pumping current. The first diffusion barrier 146 is represented as DB2 in FIG. FIG. 3 also shows a second characteristic curve 160 obtained when the polarity of the pumping voltage Up is reversed. In this case, the pumping voltage is +500 V, for example, and the sign is determined by the connection configuration described above. When the polarity is reversed, the first electrode 120 functions as an internal electrode, and the second electrode 126 functions as an external electrode. In this case, the actions of the two diffusion barriers 146, 138 are opposite. This is because the functions of the internal electrode, the external electrode, and each diffusion barrier alternate. At least in the region of λ = 1, that is, p = 0, the first characteristic curve 158 and the second characteristic curve 160 are at least approximately symmetrical with respect to the zero point.

図3の2つの特性曲線158,160を比較することにより、これらの特性曲線がp=0の縦軸に対して非対称の特性を有するかぎり、リッチガスまたはリーンガスの一義的な区別が可能である。こうした比較を行うために、例えば、ポンピング電圧Uを周期的に極性反転させた矩形電圧を印加することができる。 By comparing the two characteristic curves 158 and 160 of FIG. 3, it is possible to uniquely distinguish rich gas or lean gas as long as these characteristic curves have asymmetric characteristics with respect to the vertical axis of p = 0. To do this comparison, for example, it is possible to apply a rectangular voltage with the pumping voltage U p is periodically polarity reversal.

2つの特性曲線158,160の単純な比較、または、2つの測定値とポンピング電圧との単純な比較に代えて、一方ではリッチ領域またはリーン領域のいずれで動作しているかが判別され、他方では分圧比pが推論される。簡単な比較に代えて、2つの曲線158,160またはそこから得られた2つの測定値を例えば2つの特性曲線158,160を加算することにより組み合わせることもできる。こうして、図3には一定に変化する曲線が生じており、2つの特性曲線158,160のあいだに一義的な分圧pの関係が見て取れる。特性曲線158,160の個々の測定値を適切に計算することにより、ラムダ値に一義的に対応する全体値が求められる。図3に示されている方法は、電極120,126でのポンピング電圧Uの極性反転に基づいた遷移的な測定方法の唯一の実施例である。上述したように、こうした遷移的な測定方法は関与する容量の充放電に必要な時間によって制限されている。 Instead of a simple comparison of the two characteristic curves 158, 160, or a simple comparison of the two measured values and the pumping voltage, it is determined on the one hand whether it is operating in the rich region or the lean region, The partial pressure ratio p is inferred. Instead of a simple comparison, the two curves 158, 160 or the two measurements obtained therefrom can be combined, for example, by adding the two characteristic curves 158, 160. Thus, a curve that changes constantly is generated in FIG. 3, and a unique relationship of the partial pressure p can be seen between the two characteristic curves 158 and 160. By appropriately calculating the individual measured values of the characteristic curves 158 and 160, an overall value uniquely corresponding to the lambda value is obtained. The method illustrated in Figure 3, the only example of a transition measurement method based on the polarity reversal of the pumping voltage U p of the electrode 120, 126. As mentioned above, such transitional measurement methods are limited by the time required to charge and discharge the capacities involved.

図4には、図2に示されているセンサ素子を修正したセンサ素子114の実施例が示されている。図1の公知のセンサ素子114またはポンピングセル118を備えた他の公知のセンサ素子もこれと同様に修正することができる。図4に示されているセンサ素子は基本的に図2と同様に構成されており、特に図の上方部分は同様である。図2のセンサ素子と異なっているのは、ここでは2つの電極120,126あるいはどちらか一方の電極が2つの部分電極から構成されているということである。第1の電極120は第1の部分電極162および第2の部分電極164を含み、第2の部分電極126は第1の部分電極166および第2の部分電極168を含む。第1の部分電極162,166は図4では記号A,Bで表されており、第2の部分電極164,168は記号C,Dで表されている。もちろん1つの電極が3つ以上の部分電極から成っていてもよい。ここでは第1の部分電極は第1の部分線路170,172に接続されており、第2の部分電極164,168は第2の部分線路174,176に接続されている。少なくとも1つの部分線路170,172,174,176はヒータ素子144に対するコンタクトとともにまとめられており、これにより他の端子を省略することができる。   FIG. 4 shows an embodiment of a sensor element 114 that is a modification of the sensor element shown in FIG. The known sensor element 114 of FIG. 1 or other known sensor elements with a pumping cell 118 can be similarly modified. The sensor element shown in FIG. 4 is basically configured in the same manner as in FIG. 2, and in particular, the upper part of the figure is the same. 2 is different from the sensor element of FIG. 2 in that the two electrodes 120 and 126 or one of the electrodes is composed of two partial electrodes. The first electrode 120 includes a first partial electrode 162 and a second partial electrode 164, and the second partial electrode 126 includes a first partial electrode 166 and a second partial electrode 168. The first partial electrodes 162 and 166 are represented by symbols A and B in FIG. 4, and the second partial electrodes 164 and 168 are represented by symbols C and D. Of course, one electrode may be composed of three or more partial electrodes. Here, the first partial electrode is connected to the first partial lines 170 and 172, and the second partial electrodes 164 and 168 are connected to the second partial lines 174 and 176. At least one partial line 170, 172, 174, 176 is grouped together with a contact to the heater element 144, so that the other terminals can be omitted.

図5には、複数の部分電極を備えた図4のセンサ素子114を用いて前述した方法により変換を行う電気回路178の実施例が示されている。ここでは電極120,126および部分電極162,164,166,168がシンボリックに表されている。また、固体電解質122もシンボリックに表されている。電気回路178は、図1の個別の駆動回路112内に完全にまたは部分的に収容することもできるし、また、センサ素子114そのものに完全にまたは部分的に組み込むこともできる。後者の場合には当該の電気回路は線路および/または受動電子部品の形態でセンサ素子114内に集積される。   FIG. 5 shows an embodiment of an electric circuit 178 that performs conversion by the method described above using the sensor element 114 of FIG. 4 having a plurality of partial electrodes. Here, the electrodes 120 and 126 and the partial electrodes 162, 164, 166, and 168 are symbolically represented. The solid electrolyte 122 is also symbolically represented. The electrical circuit 178 can be fully or partially housed within the individual drive circuit 112 of FIG. 1, or can be fully or partially incorporated into the sensor element 114 itself. In the latter case, the electric circuit is integrated in the sensor element 114 in the form of lines and / or passive electronic components.

図5からは、電気回路178が部分線路170,172,174,176に4つのダイオード180,182,184,186を有していることが見て取れる。第1の部分線路170,172のダイオード180,184は第2の部分線路174,176のダイオード182,186とは反対向きに極性付けられている。また、第1の部分線路170,172のダイオード180,184は相互に反対向きに極性付けられており、第2の部分線路174,176のダイオード182,186も同様に相互に反対向きに極性付けられている。ダイオード180,182,184,186の反対側では、第1の電極120または第2の電極126の部分電極162,164,166,168の部分線路170,172,174,176が共通の接続線路188,190へまとめられている。共通の接続線路188,190の端子は図5には記号E,Fによってシンボリックに表されている。   From FIG. 5, it can be seen that the electric circuit 178 has four diodes 180, 182, 184, 186 in the partial lines 170, 172, 174, 176. The diodes 180 and 184 of the first partial lines 170 and 172 are polarized in the opposite direction to the diodes 182 and 186 of the second partial lines 174 and 176. The diodes 180 and 184 of the first partial lines 170 and 172 are polarized in opposite directions, and the diodes 182 and 186 of the second partial lines 174 and 176 are similarly polarized in opposite directions. It has been. On the opposite side of the diodes 180, 182, 184, 186, the partial lines 170, 172, 174, 176 of the partial electrodes 162, 164, 166, 168 of the first electrode 120 or the second electrode 126 are common connection lines 188. , 190. The terminals of the common connection lines 188 and 190 are symbolically represented by symbols E and F in FIG.

図5の実施例において、遷移的な測定方法としてポンピング電圧Uの極性の交番が利用される場合、電気回路178は部分電極162,164,166,168への充放電が生じないことを保証する。ポンピング電圧Uの極性に応じて、唯一の部分電極のみが用いられる。例えば矩形の交流電圧が用いられる場合、部分電極Aから部分電極Bへのポンピングと部分電極Dから部分電極Cへのポンピングとが交互に行われる。図6にはポンピング電圧特性が示されており、ポンピング電圧U[V]と時間t[s]との関係が見て取れる。ポンピング電圧Uが正の領域にあるとき、つまり、図5の端子Eが電圧源の正極に接続されているときには、ダイオード182,186が阻止され、第1の部分電極162,166のみがアクティブとなる。図6ではこの領域が記号192で表されている。これに対して、極性が反転されるとダイオード180,184が阻止され、第2の部分電極164,168がアクティブとなる。図6ではこの領域が領域194で表されている。 5 embodiment, ensures that if the alternating polarity of the pumping voltage U p are used as the transition measurement method, the electric circuit 178 is charged and discharged to the partial electrodes 162, 164 do not occur To do. Depending on the polarity of the pumping voltage U p, only a single sub-electrodes are used. For example, when a rectangular AC voltage is used, pumping from the partial electrode A to the partial electrode B and pumping from the partial electrode D to the partial electrode C are alternately performed. FIG. 6 shows the pumping voltage characteristics, and the relationship between the pumping voltage U p [V] and time t [s] can be seen. When pumping voltage U p is in the positive region, that is, when the terminal E of FIG. 5 is connected to the positive pole of the voltage source, the diode 182, 186 is blocked, only the first partial electrode 162, 166 is active It becomes. In FIG. 6, this area is represented by symbol 192. On the other hand, when the polarity is reversed, the diodes 180 and 184 are blocked, and the second partial electrodes 164 and 168 are activated. In FIG. 6, this area is represented by an area 194.

遷移的な測定方法の簡単な実施例では、適切な交流ポンピング電圧を印加する端子として2つの端子E,Fしか必要ない。ポンピング電極の選択は4つのダイオード180,182,184,186により自動的に行われ、正しい部分電極が選択されて動作し、他の部分電極は当該のフェーズではイナクティブとなって、放電が阻止される。部分電極対AB,CDは端子E,Fの極性が切り替わってもつねに極性を維持する。部分電極162,164,166,168の充放電が回避されると、上述した電極容量の充放電時間T=RCによる周波数の制限が回避される。   In a simple embodiment of the transitional measurement method, only two terminals E and F are required as terminals for applying an appropriate AC pumping voltage. The selection of the pumping electrode is automatically performed by the four diodes 180, 182, 184 and 186, the correct partial electrode is selected and operated, and the other partial electrodes are inactive in the relevant phase to prevent discharge. The The partial electrode pairs AB and CD always maintain their polarities even when the polarities of the terminals E and F are switched. When charging / discharging of the partial electrodes 162, 164, 166, 168 is avoided, the above-described frequency limitation due to the charging / discharging time T = RC of the electrode capacitance is avoided.

ダイオード180,182,184,186は例えば加圧プレス法および/またはボンディング法によりセンサ素子114に被着され、センサ素子114には図5に示されている2つのコンタクトE,Fおよび場合によりヒータ素子144に対する別のコンタクトが設けられる。これに代えて、各ダイオードをセンサケーシング内またはコネクタケーシング内に組み込んでもよい。これによりセンサ素子114には4つのコンタクトが存在することになるが、ケーブル線路はいちじるしく低減することができる。   The diodes 180, 182, 184, and 186 are attached to the sensor element 114 by, for example, a pressure press method and / or a bonding method, and the sensor element 114 has two contacts E and F shown in FIG. Another contact to element 144 is provided. Alternatively, each diode may be incorporated in the sensor casing or the connector casing. As a result, the sensor element 114 has four contacts, but the cable line can be remarkably reduced.

例えば加圧プレスおよび/またはボンディングにより形成されるダイオードはドープされたSiCおよび/またはGaNを含む。こうしたダイオードは約1400℃までの温度に対して耐性を有するので、例えばセンサ素子114の他の層とともに完全にまたは部分的に焼結することができる。SiCベースのダイオードは約650℃までの温度で駆動される。センサ素子114を適切に形成し、排気管系に適切に配置することにより、ポンピングセル118から離れたセンサ素子114の裏側に650℃を超える温度が発生しない。そこで有利には加圧プレスによって形成されるダイオード180,182,184,186が用いられる。加圧プレスに代えてまたはこれに加えて、特にセンサ素子114および/または電気回路178の冷間領域に配置されるダイオード180,182,184,186に対して、ボンディング法その他の被着法および/または形成法を利用することもできる。   For example, diodes formed by pressure pressing and / or bonding include doped SiC and / or GaN. Such diodes are resistant to temperatures up to about 1400 ° C. so that they can be fully or partially sintered with other layers of the sensor element 114, for example. SiC based diodes are driven at temperatures up to about 650 ° C. By appropriately forming the sensor element 114 and appropriately arranging it in the exhaust pipe system, a temperature exceeding 650 ° C. does not occur on the back side of the sensor element 114 away from the pumping cell 118. Therefore, diodes 180, 182, 184 and 186 formed by a pressure press are preferably used. In place of or in addition to the pressure press, in particular for the diodes 180, 182, 184, 186 arranged in the cold region of the sensor element 114 and / or the electric circuit 178, bonding and other deposition methods and A forming method can also be used.

前述したケースに代えてまたはこれに加えてダイオードをケーブル線路またはコネクタに組み込む場合、温度耐性に対する要求は小さくて済む。この場合にはダイオードには例えば200℃までの温度耐性があれば充分であり、単純かつ安価なもので足りる。センサ素子114に例えば駆動線路116を介した駆動回路112への接続のための4極のコネクタが設けられる場合、当該のコネクタに直接にセンサ線路の始端としてダイオード180,182,184,186が完全にまたは部分的に収容される。   When the diode is incorporated in the cable line or the connector instead of or in addition to the case described above, the requirement for temperature resistance is small. In this case, it is sufficient that the diode has a temperature resistance up to, for example, 200 ° C., and a simple and inexpensive one is sufficient. When the sensor element 114 is provided with, for example, a four-pole connector for connection to the drive circuit 112 via the drive line 116, the diodes 180, 182, 184, and 186 are completely connected directly to the connector as the start of the sensor line. Or partially contained.

図6には、特に正負のポンピング電圧が交互に印加される駆動形態が示されている。ここでポンピング電圧の各パルスのレベルおよび持続時間はそのつど変化していてもよい。特に有利な実施例では、ポンピング電圧の各パルスは符号のみ異なり、レベルおよび持続時間については同一である。きわめてリッチな排気ガスまたはきわめてリーンな排気ガスにおけるセンサ装置110のダイナミクスを最適化するために、種々の長さおよび/または種々のレベルのパルスを用いることができる。   FIG. 6 shows a driving configuration in which positive and negative pumping voltages are applied alternately. Here, the level and duration of each pulse of the pumping voltage may change each time. In a particularly advantageous embodiment, each pulse of the pumping voltage differs only in sign and is identical in level and duration. Different lengths and / or different levels of pulses can be used to optimize the dynamics of the sensor device 110 in very rich exhaust gases or very lean exhaust gases.

図示されていない変形例として、図5の接続状態を修正し、第2の部分電極164,168を交換して配置することもできる。この場合には電極BCと電極ADとのあいだでポンピングが行われる。   As a modification not shown, the connection state of FIG. 5 can be modified and the second partial electrodes 164 and 168 can be replaced and arranged. In this case, pumping is performed between the electrode BC and the electrode AD.

図7にはセンサ装置110の電気回路178の第2の実施例が示されている。この実施例では、ダイオード180,182,184,186がセンサ素子114の外部、特に駆動線路116内および/またはコネクタ内および/または駆動回路112内に配置される場合、4つの部分線路170,172,174,176のうち2つが一体にまとめられることにより、さらに端子コンタクトが省略される。図7に示されている電気回路178では例えば部分線路170,176が一体の部材196にまとめられる。これに代えて、電極BCおよび部分線路172,174を相応に一体の部材196にまとめることもできる。図7に示されているセンサ素子114では、一体の部材196は有利にセンサ端子コンタクトを含む。これによりセンサ端子コンタクトG,H,Iのみに対してコンタクトが設けられればよい。部分線路をまとめることにより、各部分電極対の部分電極では有利には一定の同じ電圧が維持される。センサ端子コンタクトの数は標準の広帯域ラムダセンサの3つの端子に相応し、1つまたは2つの付加的なヒータ素子の端子を補完することができる。   FIG. 7 shows a second embodiment of the electric circuit 178 of the sensor device 110. In this embodiment, if the diodes 180, 182, 184, 186 are arranged outside the sensor element 114, in particular in the drive line 116 and / or in the connector and / or in the drive circuit 112, four partial lines 170, 172. , 174, and 176 are combined together to further eliminate the terminal contact. In the electric circuit 178 shown in FIG. 7, for example, the partial lines 170 and 176 are combined into an integral member 196. Instead of this, the electrode BC and the partial lines 172 and 174 can be combined into a corresponding integral member 196. In the sensor element 114 shown in FIG. 7, the integral member 196 preferably includes sensor terminal contacts. As a result, only the sensor terminal contacts G, H, and I need to be provided with contacts. By grouping the partial lines, the same voltage is advantageously maintained at the partial electrodes of each partial electrode pair. The number of sensor terminal contacts corresponds to the three terminals of a standard broadband lambda sensor and can be supplemented with one or two additional heater element terminals.

上述したように、図4によれば、電極120,126は複数の部分電極162,164,166,168により構成することができる。そのほか、多数の他のジオメトリが可能であり、例えば図5または図7の電気回路178を設けることもできる。例えば図4に示されているセンサ素子114を変形して、ポンピングセルの部分電極を横方向または上下方向のいずれかに配置して接続することができる。   As described above, according to FIG. 4, the electrodes 120 and 126 can be constituted by a plurality of partial electrodes 162, 164, 166 and 168. In addition, many other geometries are possible, for example, the electrical circuit 178 of FIG. 5 or 7 can be provided. For example, the sensor element 114 shown in FIG. 4 can be modified and the partial electrodes of the pumping cell can be arranged and connected in either the horizontal direction or the vertical direction.

図3,図6に則して上述した測定方法は純粋な電流測定による遷移的な測定方法である。ただし純粋な電流測定に基づかない他の方式、例えば電圧測定による遷移的な測定方法も利用可能である。電流測定および電圧測定を混合した測定方法に基づくセンサ素子の典型例はRobert Bosch GmbH. "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001の116頁〜117頁に記載されている。こうしたセンサ素子に対しても本発明の方法によれば複数の部分電極を用いることができる。これについて図8〜図12の実施例に則して説明する。図1のセンサ素子114を本発明により修正して、電極120,126が複数の部分電極から成るようにすることもできる。もちろん、図8,図10〜図12のセンサ素子が純粋な電流測定による測定方法または上述した測定方法にしたがって駆動されるものであってもよい。   The measurement method described above with reference to FIGS. 3 and 6 is a transitional measurement method based on pure current measurement. However, other methods not based on pure current measurement, for example, a transitional measurement method by voltage measurement, can also be used. A typical example of a sensor element based on a measurement method combining current measurement and voltage measurement is described in Robert Bosch GmbH. “Sensoren im Kraftfahrzeug”, 2001, pages 116-117. Even for such a sensor element, a plurality of partial electrodes can be used according to the method of the present invention. This will be described with reference to the embodiment of FIGS. The sensor element 114 of FIG. 1 can be modified according to the present invention so that the electrodes 120 and 126 are composed of a plurality of partial electrodes. Of course, the sensor elements of FIGS. 8 and 10 to 12 may be driven in accordance with a measurement method based on pure current measurement or the measurement method described above.

図8〜図12には、複数の部分ポンピングセルおよび複数の部分固体電解質を備えたセンサ素子またはセンサ装置の実施例が示されている。例えばセンサ素子114では結合された2つの部分ポンピングセルの部分電極が電気回路178を介して駆動される。ここで各部分電極はλ=1を中心とした気体交換の際にその極性を変化させないように接続されている。部分電極、特に内部部分電極の2重層コンデンサはこうした気体交換の際に充放電されてはならない。こうしてセンサ信号はきわめて迅速に新たな目標値を取り、センサ素子114は全体として著しく迅速に切り換えられる。   8 to 12 show an embodiment of a sensor element or a sensor device including a plurality of partial pumping cells and a plurality of partial solid electrolytes. For example, in the sensor element 114, partial electrodes of two coupled partial pumping cells are driven via an electric circuit 178. Here, the partial electrodes are connected so as not to change their polarities during gas exchange centered on λ = 1. Partial electrodes, in particular double-layer capacitors of internal partial electrodes, must not be charged or discharged during such gas exchange. The sensor signal thus takes on a new target value very quickly, and the sensor element 114 as a whole is switched very rapidly.

付加的に電極120,126および拡散バリア146,138を配置して、全ての電極が同時に負荷されるようにすることもできる。これにより中空室の酸素濃度はいずれの位置においても一定に維持され、任意の気体交換に際しても内部電極の2重層コンデンサは充放電されず、センサ素子114は任意の気体交換に際して著しく迅速に応答する。また、当該の電気回路178では、例えば適切なダイオードを用いて、2つの端子コンタクトI,Fのみを設け、電極数が多くとも、通常の帯域幅のセンサ素子に比べて端子コンタクト数が増大しないように構成することができる。また、例えば部分電極を一定の振幅の交流電圧により駆動し、種々のポンピング電流をパルス幅変調により実現することもできる。   In addition, electrodes 120 and 126 and diffusion barriers 146 and 138 may be arranged so that all electrodes are loaded simultaneously. As a result, the oxygen concentration in the hollow chamber is kept constant at any position, the double-layer capacitor of the internal electrode is not charged / discharged even when any gas is exchanged, and the sensor element 114 responds extremely quickly when any gas is exchanged. . In the electric circuit 178, for example, only two terminal contacts I and F are provided using an appropriate diode, and the number of terminal contacts does not increase as compared with a sensor element having a normal bandwidth even if the number of electrodes is large. It can be constituted as follows. Also, for example, the partial electrodes can be driven by an alternating voltage having a constant amplitude, and various pumping currents can be realized by pulse width modulation.

図8,図10には図1の例に類似したセンサ素子114の実施例が示されている。ここでは、第1の電極120が2つの部分電極162,164を有しており、これらの部分電極がセンサ素子114の相互に対向する側に配置されている。同様に、第2の電極126は2つの部分電極166,168を有しており、これらはセンサ素子の内部の中空室124内に配置されている。第1の部分電極162,166間または第2の部分電極164,168間にはそれぞれ部分固体電解質198,200が配置されている。部分固体電解質198,200はこの実施例では中空室124によって分離された固体電解質122の異なる層として構成されている。こうしてポンピングセル118は、空間的に分離され、相互に独立に駆動される2つの部分ポンピングセル202,204を有することになる。   8 and 10 show an embodiment of a sensor element 114 similar to the example of FIG. Here, the first electrode 120 has two partial electrodes 162 and 164, and these partial electrodes are arranged on the sides of the sensor element 114 facing each other. Similarly, the second electrode 126 has two partial electrodes 166, 168, which are arranged in a hollow chamber 124 inside the sensor element. Partial solid electrolytes 198 and 200 are disposed between the first partial electrodes 162 and 166 or between the second partial electrodes 164 and 168, respectively. The partial solid electrolytes 198 and 200 are configured as different layers of the solid electrolyte 122 separated by the hollow chamber 124 in this embodiment. Thus, the pumping cell 118 has two partial pumping cells 202, 204 that are spatially separated and driven independently of each other.

また、センサ素子114は基準空気チャネル140およびその内部に配置される基準電極142を有しており、これについては図1の実施例と同様である。   The sensor element 114 also has a reference air channel 140 and a reference electrode 142 disposed therein, which is the same as in the embodiment of FIG.

図8の実施例のセンサ素子と図10の実施例のセンサ素子とは、主として、長手軸線で見て、図8の実施例の中空室124が端面側で第2の接続部134を介して測定気体室132に接続されている点で異なる。気体はセンサ素子114の端面から拡散バリア138を通り、測定室として機能する中空室124へ達する。図10の実施例では、測定気体室132からの気体は気体供給孔136および拡散バリア138を通って中空室124へ達する。ここで気体供給孔136は上方からセンサ素子114へ通じる孔の形態で形成されている。それ以外の点では図8の実施例のセンサ素子と図10の実施例のセンサ素子とは構造も機能も類似している。   The sensor element of the embodiment of FIG. 8 and the sensor element of the embodiment of FIG. 10 mainly have a hollow chamber 124 of the embodiment of FIG. It is different in that it is connected to the measurement gas chamber 132. The gas passes from the end face of the sensor element 114 through the diffusion barrier 138 to the hollow chamber 124 that functions as a measurement chamber. In the example of FIG. 10, the gas from the measurement gas chamber 132 reaches the hollow chamber 124 through the gas supply hole 136 and the diffusion barrier 138. Here, the gas supply hole 136 is formed in the form of a hole communicating with the sensor element 114 from above. Otherwise, the sensor element of the embodiment of FIG. 8 and the sensor element of the embodiment of FIG. 10 are similar in structure and function.

図8,図10のセンサ素子は、基本的には、上述したように図5,図7のセンサ素子と同様に接続される。その接続の例が図9に示されている。ここでの接続状態は図5に則して説明した実施例の接続状態にほぼ対応する。ただし、部分電極162,164,166,168が反対の位置に配置されている。また、中空室124および測定気体室132は概略的に示されている。さらに、部分固体電解質198,200が分離されていることにより、2つの分離した部分ポンピングセル202,204が構成されていることが見て取れる。それ以外の点は図5に説明した実施例と同様である。   The sensor elements in FIGS. 8 and 10 are basically connected in the same manner as the sensor elements in FIGS. 5 and 7 as described above. An example of the connection is shown in FIG. The connection state here substantially corresponds to the connection state of the embodiment described with reference to FIG. However, the partial electrodes 162, 164, 166, 168 are arranged at opposite positions. Further, the hollow chamber 124 and the measurement gas chamber 132 are schematically shown. Furthermore, it can be seen that two separate partial pumping cells 202, 204 are constructed by separating the partial solid electrolytes 198, 200. The other points are the same as in the embodiment described in FIG.

図8,図10に示されているセンサ装置110は、例えば図6に示されている電流測定による測定方法にしたがって、つまり基準電極142なしに、駆動される。例えば、遷移的な測定方法では特性曲線158,160の非対称性が利用され、リーン領域とリッチ領域とが区別される。これに代えてまたはこれに加えて、図8,図10のセンサ装置において、少なくとも部分的に電流測定および電圧測定を組み合わせた測定方法を利用し、図1に示されているような広帯域センサを実現することもできる。こうした遷移的な測定方法では、基準電極142とともに複数の部分電極から成る電極120,126が利用され、測定過程が著しく促進される。例えば、図6に示されている交流電圧をポンピング電圧として電極120,126へ印加し、部分ポンピングセル202,204を介して測定気体室132から中空室124へ交互に酸素をポンピングすることができ、その際に電極120,126の2重層コンデンサまたは電極と固体電解質との界面は充放電されない。付加的に、測定気体は拡散バリア138を通って測定室として機能する中空室124へ拡散する。上述したように、本発明の方法は特にパルス幅変調制御により行われ、ポンピング電圧の負の相と正の相とのあいだの比、つまり第1の部分ポンピングセルがアクティブとなっているときと第2の部分ポンピングセルがアクティブとなっているときとの比が制御される。このために、例えば、図6のポンピング電圧の正の相および負の相を選択し、中空室124内に一定の酸素分圧が生じるようにする制御回路を駆動回路112内に設けることができる。このとき、中空室124内に配置された1つまたは複数の部分電極166,168と基準空気チャネル140または基準気体室に配置された基準電極142とのあいだにかかるネルンスト電圧が制御される。   The sensor device 110 shown in FIGS. 8 and 10 is driven, for example, according to the measurement method by current measurement shown in FIG. 6, that is, without the reference electrode 142. For example, in the transitional measurement method, the asymmetry of the characteristic curves 158 and 160 is used to distinguish between the lean region and the rich region. Instead of this, or in addition to this, in the sensor device of FIGS. 8 and 10, a broadband sensor as shown in FIG. 1 is obtained by using a measurement method that at least partially combines current measurement and voltage measurement. It can also be realized. In such a transitional measurement method, the electrodes 120 and 126 including a plurality of partial electrodes are used together with the reference electrode 142, and the measurement process is significantly accelerated. For example, the alternating voltage shown in FIG. 6 can be applied to the electrodes 120 and 126 as a pumping voltage, and oxygen can be alternately pumped from the measurement gas chamber 132 to the hollow chamber 124 via the partial pumping cells 202 and 204. In this case, the double layer capacitor of the electrodes 120 and 126 or the interface between the electrode and the solid electrolyte is not charged / discharged. In addition, the measurement gas diffuses through the diffusion barrier 138 into the hollow chamber 124 that functions as a measurement chamber. As described above, the method of the present invention is performed in particular by pulse width modulation control, and the ratio between the negative phase and the positive phase of the pumping voltage, that is, when the first partial pumping cell is active. The ratio with respect to when the second partial pumping cell is active is controlled. For this purpose, for example, a control circuit for selecting a positive phase and a negative phase of the pumping voltage in FIG. 6 and generating a constant oxygen partial pressure in the hollow chamber 124 can be provided in the drive circuit 112. . At this time, the Nernst voltage applied between the one or more partial electrodes 166 and 168 arranged in the hollow chamber 124 and the reference air channel 140 or the reference electrode 142 arranged in the reference gas chamber is controlled.

ここで、測定信号は、第2の部分ポンピングセル204によって中空室124からポンピングされた酸素と第1の部分ポンピングセル202によって中空室124内へポンピングされたOイオンとしての酸素との差を表している。リーン排気ガスでは測定信号は排気ガス中の酸素量の尺度であり、リーン排気ガスでは測定信号は排気ガス中の酸素不足量の尺度である。 Here, the measurement signal represents the difference between oxygen pumped from the hollow chamber 124 by the second partial pumping cell 204 and oxygen as O 2 ions pumped into the hollow chamber 124 by the first partial pumping cell 202. Represents. For lean exhaust gas, the measurement signal is a measure of the amount of oxygen in the exhaust gas, and for lean exhaust gas, the measurement signal is a measure of the amount of oxygen deficiency in the exhaust gas.

図11,図12には図8,図10の実施例に類似したセンサ素子114の実施例が示されている。ほとんどの部分については前述したセンサ素子の構造と同様である。図11のセンサ素子と図12のセンサ素子とは拡散バリア138の配置の点で異なっている。拡散バリア138は第2の拡散バリア138と称され、これにより中空室124に測定気体室132からの気体が供給される。図11,図12に示されている実施例では、第2の拡散バリア138は第1の電極120の各部分電極162,165間と第2の電極126の各部分電極166,168間とに配置されている。つまり2つの第2の拡散バリア138が設けられるのである。唯一の拡散バリア138を例えば部分電極162と部分電極166とのあいだのみに配置することもできる。拡散バリア138は例えば少なくとも部分的に固体電解質128または部分固体電解質198,200と同一である。これにより特に測定気体の濃度、例えば酸素濃度が中空室124の全体にわたって空間的に一定に保持され、内部部分電極166,168の負荷はいずれの位置においても同一となる。こうして内部電極166,168の2重層コンデンサは充放電されなくなり、センサ素子114は気体交換に対してきわめて迅速に応答する。これに対して、拡散バリア138を図8,図10の実施例のように配置すると、酸素濃度は、制御回路によって、中空室124のうち基準空気チャネル140の近傍の領域においてのみ、つまりセンサ素子の後方においてのみ、一定に保持される。中空室124の濃度特性はポンピング機能すなわち酸素濃度とポンピング電圧との関数である電極のポンピング電流密度および測定気体の酸素濃度から得られる。こうした問題は図11,図12の装置により回避される。   FIGS. 11 and 12 show an embodiment of a sensor element 114 similar to the embodiment of FIGS. Most of the parts are the same as the structure of the sensor element described above. The sensor element of FIG. 11 differs from the sensor element of FIG. 12 in the arrangement of the diffusion barrier 138. The diffusion barrier 138 is referred to as a second diffusion barrier 138, whereby the gas from the measurement gas chamber 132 is supplied to the hollow chamber 124. In the embodiment shown in FIGS. 11 and 12, the second diffusion barrier 138 is provided between the partial electrodes 162 and 165 of the first electrode 120 and between the partial electrodes 166 and 168 of the second electrode 126. Has been placed. That is, two second diffusion barriers 138 are provided. A single diffusion barrier 138 may be disposed only between the partial electrode 162 and the partial electrode 166, for example. The diffusion barrier 138 is, for example, at least partially identical to the solid electrolyte 128 or the partial solid electrolyte 198,200. As a result, the concentration of the measurement gas, for example, the oxygen concentration, is kept spatially constant throughout the hollow chamber 124, and the loads on the internal partial electrodes 166, 168 are the same at any position. Thus, the double layer capacitors of the internal electrodes 166, 168 are no longer charged / discharged and the sensor element 114 responds very quickly to gas exchange. On the other hand, when the diffusion barrier 138 is arranged as in the embodiment of FIGS. 8 and 10, the oxygen concentration is controlled by the control circuit only in the region near the reference air channel 140 in the hollow chamber 124, that is, the sensor element. It is held constant only behind. The concentration characteristic of the hollow chamber 124 is obtained from the pumping function, that is, the pumping current density of the electrode, which is a function of the oxygen concentration and the pumping voltage, and the oxygen concentration of the measurement gas. Such a problem is avoided by the apparatus shown in FIGS.

図11のセンサ素子114では部分固体電解質198,200の全体が拡散バリア138として構成されているのに対して、図12の実施例ではこのようにする必要はない。特に、拡散バリア138の一部を他の固体電解質の部分に対して適切なイオン伝導性(特に適切な酸素イオン伝導性)を有する電解質材料によって置換し、限界電流を適合化する(特に限界電流を低減する)ことができる。適切な酸素イオン伝導性により、電極120,126は中空室125内の酸素濃度が不均一であっても均一に負荷され、内部電極126の2重層コンデンサの充放電は最小となる。図11,図12のセンサ素子の変形例として、一方の部分電極対のあいだに拡散バリア138を設け、他方の部分電極対のあいだに固体電解質122を設けてもよい。   In the sensor element 114 of FIG. 11, the entire partial solid electrolytes 198 and 200 are configured as the diffusion barrier 138, whereas this is not necessary in the embodiment of FIG. 12. In particular, a part of the diffusion barrier 138 is replaced by an electrolyte material having an appropriate ionic conductivity (particularly an appropriate oxygen ion conductivity) relative to other solid electrolyte parts to adapt the limiting current (especially the limiting current). Can be reduced). With appropriate oxygen ion conductivity, the electrodes 120 and 126 are uniformly loaded even if the oxygen concentration in the hollow chamber 125 is non-uniform, and charging and discharging of the double layer capacitor of the internal electrode 126 is minimized. As a modification of the sensor element of FIGS. 11 and 12, a diffusion barrier 138 may be provided between one partial electrode pair, and a solid electrolyte 122 may be provided between the other partial electrode pair.

本発明のセンサ素子の第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example of the sensor element of this invention. 本発明のセンサ素子の第2の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd Example of the sensor element of this invention. ポンピング電圧の極性が変化する際の酸素分圧とポンピング電流との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the oxygen partial pressure at the time of the polarity of a pumping voltage changing, and a pumping current. 本発明のセンサ素子の第3の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 3rd Example of the sensor element of this invention. 本発明の方法の等価回路の第1の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 1st Example of the equivalent circuit of the method of this invention. ポンピング電圧特性を示す図である。It is a figure which shows a pumping voltage characteristic. 本発明の方法の第2の実施例を示す図である。FIG. 3 shows a second embodiment of the method of the present invention. 本発明のセンサ素子の第4の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 4th Example of the sensor element of this invention. 図8に示されているセンサ素子を駆動する電気回路を示す図である。It is a figure which shows the electric circuit which drives the sensor element shown by FIG. 本発明のセンサ素子の第5の実施例を示す図である。It is a figure which shows the 5th Example of the sensor element of this invention. 部分的に統合された固体電解質および拡散バリアを備えたセンサ素子の第1の実施例を示す図である。FIG. 2 shows a first embodiment of a sensor element with a partially integrated solid electrolyte and diffusion barrier. 部分的に統合された固体電解質および拡散バリアを備えたセンサ素子の第2の実施例を示す図である。FIG. 4 shows a second embodiment of a sensor element with a partially integrated solid electrolyte and diffusion barrier.

符号の説明Explanation of symbols

110 センサ装置、 112 駆動回路、 114 センサ素子、 116 駆動線路、 118 ポンピングセル、 120,126 電極、 122 固体電解質、 124,148,150 中空室、 128,134 接続部、 130 保護層、 132 測定気体室、 136 気体供給孔、 138,146 拡散バリア、 140 基準気体チャネル、 142 基準電極、 144 ヒータ素子、 152 カバー層、 154 リーン領域、 156 リッチ領域、 158,160 特性曲線、 162,164,166,168 部分電極、 170,172,174,176 部分線路、 189,182,184,186 ダイオード、 188,190 接続線路、 198,200 部分固体電解質、 202,204 部分ポンピングセル   110 sensor device, 112 drive circuit, 114 sensor element, 116 drive line, 118 pumping cell, 120, 126 electrode, 122 solid electrolyte, 124, 148, 150 hollow chamber, 128, 134 connection part, 130 protective layer, 132 measurement gas Chamber, 136 gas supply hole, 138, 146 diffusion barrier, 140 reference gas channel, 142 reference electrode, 144 heater element, 152 cover layer, 154 lean region, 156 rich region, 158, 160 characteristic curve, 162, 164, 166, 168 Partial electrode, 170,172,174,176 Partial line, 189,182,184,186 Diode, 188,190 Connection line, 198,200 Partial solid electrolyte, 202,204 Partial pumping cell

Claims (15)

ポンピングセル(118)を含むセンサ素子(114)として、固体電解質(122)によって接続された、それぞれ2つずつの部分電極(162,166;164,168)から成る第1の電極(120)および第2の電極(126)を設け、該第1の電極の少なくとも1つの部分電極と該第2の電極の少なくとも1つの部分電極とを前記固体電解質内の少なくとも1つの測定気体室(132)に配置し、
電気回路(178)により、まず、第1のポンピング電圧をいずれかの部分電極(162,166)へ印加し、ついで、該第1のポンピング電圧に対して反対の極性を有する前記第2のポンピング電圧を前記いずれかの部分電極とは異なる部分電極(164,168)へ印加し、前記第1のポンピング電圧を印加する際に測定される第1のポンピング電流と前記第2のポンピング電圧を印加する際に測定される第2のポンピング電流とを比較して、酸素濃度の測定量を取得する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガスの酸素濃度を求める方法
As a sensor element (114) including a pumping cell (118), a first electrode (120) consisting of two partial electrodes (162, 166; 164, 168) each connected by a solid electrolyte (122) and A second electrode (126) is provided, and at least one partial electrode of the first electrode and at least one partial electrode of the second electrode are connected to at least one measurement gas chamber (132) in the solid electrolyte. Place and
The electric circuit (178) first applies a first pumping voltage to one of the partial electrodes (162, 166), and then the second pumping having the opposite polarity with respect to the first pumping voltage. A voltage is applied to a partial electrode (164, 168) different from any one of the partial electrodes, and a first pumping current and a second pumping voltage measured when applying the first pumping voltage are applied. The measured amount of oxygen concentration is obtained by comparing with the second pumping current measured when
A method for determining the oxygen concentration of exhaust gas from an internal combustion engine .
前記第1のポンピング電圧および前記第2のポンピング電圧は矩形交流電圧である、請求項記載の方法。 It said first pumping voltage and the second pumping voltage is rectangular AC voltage, The method of claim 1, wherein. 前記少なくとも1つの測定気体室内の酸素分圧を迅速に調整するために、それぞれ気密に閉鎖された2つの測定気体室を設け、第1の測定気体室に前記第1の電極の第1の部分電極と前記第2の電極の第1の部分電極とを配置し、第2の測定気体室に前記第1の電極の第2の部分電極と前記第2の電極の第2の部分電極とを配置し、各部分電極にパルス幅変調された交流電圧を印加する、請求項1または2記載の方法 In order to quickly adjust the oxygen partial pressure in the at least one measurement gas chamber, two measurement gas chambers each hermetically closed are provided, and the first measurement gas chamber has a first portion of the first electrode. An electrode and a first partial electrode of the second electrode are arranged, and a second partial electrode of the first electrode and a second partial electrode of the second electrode are provided in a second measurement gas chamber. The method according to claim 1 or 2, wherein an AC voltage that is arranged and pulse width modulated is applied to each partial electrode . それぞれ2つずつの部分電極(162,166;164,168)から成る第1の電極(120)および第2の電極(126)が固体電解質(122)によって接続されており、該第1の電極の少なくとも1つの部分電極と該第2の電極の少なくとも1つの部分電極とが前記固体電解質内の少なくとも1つの測定気体室(132)に配置された、ポンピングセル(118)を含むセンサ素子(114)と、
まず第1のポンピング電圧をいずれかの部分電極(162,166)へ印加し、ついで該第1のポンピング電圧に対して反対の極性を有する第2のポンピング電圧を前記いずれかの部分電極とは異なる部分電極(164,168)へ印加し、前記第1のポンピング電圧が印加される際に測定される第1のポンピング電流と前記第2のポンピング電圧が印加される際に測定される第2のポンピング電流とを比較して酸素濃度の測定量を取得する電気回路(178)と
を有する
ことを特徴とする内燃機関の排気ガスの酸素濃度を求めるセンサ装置
A first electrode (120) and a second electrode (126) each comprising two partial electrodes (162, 166; 164, 168) are connected by a solid electrolyte (122), and the first electrode Sensor element (114) comprising a pumping cell (118), wherein at least one partial electrode of the second electrode and at least one partial electrode of the second electrode are disposed in at least one measurement gas chamber (132) in the solid electrolyte. )When,
First, a first pumping voltage is applied to any of the partial electrodes (162, 166), and then a second pumping voltage having an opposite polarity to the first pumping voltage is defined as any of the partial electrodes. A second pumping voltage applied to different partial electrodes (164, 168) and a second pumping voltage measured when the first pumping voltage is applied and a first pumping current measured when the first pumping voltage is applied. An electric circuit (178) for obtaining a measured amount of oxygen concentration by comparing with the pumping current of
Have
A sensor device for determining an oxygen concentration of exhaust gas of an internal combustion engine .
前記センサ素子の各部分電極に、前記電気回路として1つずつ部分線路が接続されており、
前記第1の電極の第1の部分電極に接続された第1の部分線路(170)に第1のダイオード(180)が接続されており、前記第1の電極の第2の部分電極に接続された第2の部分線路(172)に前記第1のダイオードとは反対極性の第2のダイオード(184)が接続されており、
前記第2の電極の第1の部分電極に接続された第3の部分線路(174)に第3のダイオード(182)が接続されており、前記第2の電極の第2の部分電極に接続された第4の部分線路(176)に前記第3のダイオードとは反対極性の第4のダイオード(186)が接続されている、請求項4記載のセンサ装置
One partial line is connected to each partial electrode of the sensor element as the electric circuit,
A first diode (180) is connected to a first partial line (170) connected to a first partial electrode of the first electrode, and is connected to a second partial electrode of the first electrode. A second diode (184) having a polarity opposite to that of the first diode is connected to the second partial line (172) formed;
A third diode (182) is connected to a third partial line (174) connected to the first partial electrode of the second electrode, and is connected to the second partial electrode of the second electrode. The sensor device according to claim 4, wherein a fourth diode (186) having a polarity opposite to that of the third diode is connected to the fourth partial line (176) formed .
前記第1の部分線路と前記第3の部分線路とが各ダイオードの後方で第1の共通の接続線路(188)にまとめられており、前記第2の部分線路と前記第4の部分線路とが各ダイオードの後方で第2の共通の接続線路(190)にまとめられている、請求項5記載のセンサ装置 The first partial line and the third partial line are grouped into a first common connection line (188) behind each diode, and the second partial line, the fourth partial line, The sensor device according to claim 5, wherein the two are connected to a second common connection line (190) behind each diode . 前記第1の部分線路および前記第4の部分線路とが一体の部材にまとめられており、前記第2の部分線路と前記第3の部分線路とが別の一体の部材としてまとめられている、請求項6記載のセンサ装置 The first partial line and the fourth partial line are grouped together as an integral member, and the second partial line and the third partial line are grouped together as another integral member, The sensor device according to claim 6 . 前記電回路は、完全にまたは部分的に、前記センサ素子の内部または上部に配置されているか、または、個別の駆動回路内に組み込まれている、請求項からまでのいずれか1項記載のセンサ装置。 The electrical circuit is completely or partially, or the is arranged inside or on top of the sensor element, was or, that are built into the individual driving dynamic circuit of claim 4 to 7 The sensor device according to claim 1. 前記第1の電極の前記第1の部分電極と前記第2の電極の前記第2の部分電極とが部分固体電解質(198)を介して電気的に接続されており、前記第1の電極の前記第2の部分電極と前記第2の電極の前記第1の部分電極とが別の部分固体電解質(200)を介して電気的に接続されて、複数の部分ポンピングセルが形成されている、請求項からまでのいずれか1項記載のセンサ装置。 Are electrically connected to the front Stories second partial electrodes before Symbol first partial electrode and the second electrode of the first electrode through a portion solid electrolyte (198), said first It is electrically connected to the front Symbol first partial electrodes of the the previous SL second partial electrode of the electrode and the second electrode through another portion solid electrolyte (200), a plurality of partial pumping cell is formed has been that the sensor device according to any one of claims 4 to 8. 2つの測定気体室が設けられており、第1の測定気体室に第1の接続部(128)接続されており、該第1の接続部は第1の拡散バリア(146)を有し、第2の測定気体室に第2の接続部(134)接続されており、該第2の接続部は第2の拡散バリア(138)を有する、請求項からまでのいずれか1項記載のセンサ装置。 Two measurement gas chambers are provided, and the first connection part (128) is connected to the first measurement gas chamber, and the first connection part has a first diffusion barrier (146). , and a second connecting portion (134) connected to the second measuring gas chamber, connecting portions of the second has a second diffusion barrier (138), one of the claims 4 to 9 1 The sensor device according to item. 前記第1の電極および前記第2の電極異なる限界電流を有するように、前記第1の接続部と前記第2の接続部とが非対称に形成されている、請求項10記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 10 , wherein the first connection portion and the second connection portion are formed asymmetrically so that the first electrode and the second electrode have different limiting currents. 前記第1の拡散バリアおよび前記第2の拡散バリアは異なる拡散抵抗を有する、請求項11記載のセンサ装置。 The sensor device according to claim 11 , wherein the first diffusion barrier and the second diffusion barrier have different diffusion resistances. 前記センサ素子はさらに酸素分圧が既知となっている基準中空室(140)と、該基準中空室内部に配置された基準電極(142)とを有する、請求項4から12までのいずれか1項記載のセンサ装置。 Said sensor element further oxygen partial pressure that has become known standards hollow chamber (140), and a reference electrode disposed within the reference cavity (142), one of the claims 4 to 12 The sensor device according to 1 . 前記固体電解質は完全にまたは部分的に多孔性固体電解質として構成されており、前記測定気体室と前記基準中空室とのあいだの拡散バリア(134)として少なくとも部分的に作用する、請求項13記載のセンサ装置。 The solid electrolyte is constructed as a completely or partially porous solid electrolyte, which acts at least partially as a diffusion barrier (134) of between between the reference cavity and the measurement gas chamber, according to claim 13, wherein Sensor device. 前記第1の電極前記第1の部分電極(162)は前記センサ素子の表面に配置されており、前記第2の電極の前記第2の部分電極(164)は前記センサ素子の裏面に配置されている、請求項13または14記載のセンサ装置。 The first partial electrode of the first electrode (162) is arranged on a surface of said sensor element, said second part electrode of the second electrode (164) is arranged on the back surface of the sensor element The sensor device according to claim 13 or 14, wherein:
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