(57)【要約】【課題】製造工程において純粋な材料を使用することに対する、コスト的に有利で且つ簡単に実行可能な、電流測定式の固体電解質センサおよびその作動方法を提供する。【解決手段】センサ・エレメントと、電気絶縁層によりセンサ・エレメントから分離された、少なくとも１つの加熱要素および少なくとも２つの加熱要素リード線から形成されたヒータとを有する電流測定式の固体電解質センサの作動方法において、センサ・エレメントおよびヒータの電位範囲が重ならないように、センサ・エレメントとヒータとの間に、バイアス電圧が印加される。【選択図】図１
2008537129.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサ・エレメントと、電気絶縁層により前記センサ・エレメントから分離された、少なくとも１つの加熱要素および少なくとも２つの加熱要素リード線から形成されたヒータとを有する電流測定式の固体電解質センサの作動方法において、
前記センサ・エレメントおよび前記ヒータの電位範囲が重ならないように、前記センサ・エレメントと前記ヒータとの間に、バイアス電圧が印加されることを特徴とする電流測定式の固体電解質センサの作動方法。
【請求項２】
前記センサ・エレメントに電極接続端子から電気が供給され、前記バイアス電圧が、前記ヒータと、前記センサ・エレメントの前記電極接続端子との間に印加されることを特徴とする請求項１に記載の作動方法。
【請求項３】
前記センサ・エレメントがポテンショスタット評価回路により作動され、前記バイアス電圧が、前記ヒータの電源の接地と、前記ポテンショスタット評価回路の接地との間に印加されることを特徴とする請求項２に記載の作動方法。
【請求項４】
前記センサ・エレメントが内側ポンプ電極および外側ポンプ電極を有すること、
前記ヒータの正の供給電圧がバッテリ電圧ＵＢａｔｔより下に低下されることにより、前記加熱要素の電位範囲が上部端部において拡大されること、および
前記内側ポンプ電極の電位がこの拡大された電位範囲内に配置されること、
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の作動方法。
【請求項５】
前記加熱要素の電位範囲が、下方で縮小されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の作動方法。
【請求項６】
前記内側ポンプ電極の電位範囲が、前記ヒータの正の供給電圧の上方または下方の電位範囲内に配置されることを特徴とする請求項４または５に記載の作動方法。
【請求項７】
前記少なくとも２つの加熱要素リード線が、上方または下方に非対称に設計され、これにより、前記加熱要素の電位範囲がもはや前記ヒータの電位範囲内の中央に位置していないことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の作動方法。
【請求項８】
前記センサ・エレメントが交互運転で作動され、この場合、前記ポテンショスタット評価回路の接地が、バイアス電圧の制御により、リーン運転およびλ＝１においては加熱要素リード線の上部電位範囲内に配置され、リッチ運転においては加熱要素リード線の下部電位範囲内に配置されることを特徴とする請求項３ないし７のいずれかに記載の作動方法。
【請求項９】
センサ・エレメントと、電気絶縁層により前記センサ・エレメントから分離された、少なくとも１つの加熱要素および少なくとも２つの加熱要素リード線から形成されたヒータとを有する電流測定式の固体電解質センサにおいて、
前記センサ・エレメントと前記ヒータとの間に、バイアス電圧を提供するための手段を備えたことを特徴とする電流測定式固体電解質センサ。
【請求項１０】
バッテリ電圧ＵＢａｔｔより小さい値の、前記ヒータの正の供給電圧を提供するための手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の固体電解質センサ。
【請求項１１】
前記ヒータの供給電圧を提供するための手段が、ＤＣ−ＤＣ変換器により形成されることを特徴とする請求項１０に記載の固体電解質センサ。
【請求項１２】
請求項１ないし８のいずれかに記載の作動方法により作動されることを特徴とする請求項９ないし１１のいずれかに記載の固体電解質センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質ベース上の電流測定式センサおよびその作動方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
これに該当する電流測定式センサは、主として、電気機械式測定センサ、また例えばガスの酸素含有量および特に内燃機関のガス混合物のλ値を決定するためのセンサに使用される。ほぼ板状に形成されたこのようなセンサ・エレメントは、簡単且つコスト的に有利な製造方法に基づいて実際に高く評価され、その理由はそれらが比較的簡単に製造可能であるからである。製造においては、たいていの場合、薄板状またはフォイル状固体電解質、即ちイオン伝導性材料、例えば安定化二酸化ジルコニウムから出発される。
【０００３】
これに該当するセンサが特に重要であることから、実際に、拡散抵抗原理に基づいて作動する板状ポーラルグラフ・センサ・エレメント（センサ）が得られた。このタイプのセンサ・エレメントは、例えば、ドイツ特許公開第３５４３７５９号および第３７２８６１８号、並びに欧州特許出願第０１４２９９２号、第０１４２９９３号、第０１４８６２２号および第０１９４０８２号から既知である。このようなポーラルグラフ・センサ・エレメントにおいては、センサ・エレメントの両方の電極に一定の電圧が印加されるときの拡散電流、即ち拡散限界電流が測定される。この電流は、センサ・エレメント内に配置されているポンプ電極へのガスの拡散が、進行中の反応の速度を決定するような場合において、燃焼過程において発生する排気ガス内の酸素濃度の関数である。ポーラルグラフ測定原理に基づいて作動するこのようなポーラルグラフ・センサ・エレメントを、陽極のみならず陰極もまた、測定されるべきガスに露出されているように形成することが既知であり、この場合、陰極は拡散隔壁を有している。
【０００４】
このような電流測定式センサの作動は、センサ・エレメントの温度を、６００℃以上のある固定値に＋／−５０℃の範囲内に制御することを必要とする。このために、典型的な板状センサ構造（図１）においては、加熱要素７５およびヒータ・リード線８０からなる内部ヒータが設けられている。
【０００５】
電気加熱出力の制御により、センサ・エレメントの温度が調節可能である。電気加熱出力は通常それ自身既知のパルス幅変調（ＰＷＭ）の方法により設定され、この場合、ヒータは高い電位に作動され、即ち、遮断された状態においてはヒータ全体が正のバッテリ電圧（１１．４Ｖ．．．１３．８Ｖ）にあり、また投入された状態においては、ヒータ接続端子は接地されるので、加熱電流は正のヒータ接続端子から負のヒータ接続端子に流れる。
【０００６】
このようなヒータは、ドイツ特許公開第３８１１７１３号から既知の板状ポーラルグラフ・センサ・エレメント（センサ）をも有し、センサ・エレメントは、ポンプ・セル（Ａ）と、ポンプ・セルのポンプ電極の手前に拡散抵抗を有する拡散ユニット（Ｂ）とを有し、この場合、拡散抵抗は非焼結センサ・エレメント内に挿入された多孔性焼結成形本体により形成される。
【０００７】
ここで板状センサ・エレメントが固体電解質ベース上に組込ヒータを有している場合、ヒータはそれ自身既知のように絶縁材料、例えばＡｌ２Ｏ３内に埋め込まれ、この場合、ヒータおよび絶縁材料は、一方で、イオン伝導性固定電解質材料内に埋め込まれている。
【０００８】
このような埋込みにおける欠点は、センサ・エレメント内に組み込まれている測定セルないしは「ポンプ・セル」への、ヒータの電気結合の危険性が存在することである。この原因は、固体電解質とヒータとの間の小さすぎる絶縁層厚が、小孔（ピンホール）、亀裂または欠陥位置、または絶縁材料それ自身の制限された絶縁能力に基づいて欠陥のある絶縁層であり得ることである。
【０００９】
このようなセンサ・エレメントは、例えばドイツ特許公開第４３４３０８９号から既知である。このセンサ・エレメントは電気絶縁材料内に埋め込まれた加熱導体を有し、この場合、特に、電気絶縁材料の一部が、少なくとも１つの中空室により、センサ・エレメントの固体電解質基体から電池的に分離されている。１つまたは複数の中空室は、本質的に改善された、加熱導体とセンサ・エレメントの測定セルとの電気的減結合を可能にする。この中空室の厚さは約２−４０μｍの値である。
【００１０】
ヒータのみならず電気絶縁材料もまた、たいていの場合、プリント層技術で設計され、即ち、これらはスクリーン・プリント層としてセラミック電解質基体（好ましくは、ＺｒＯ２）上にプリントされる。この場合、ヒータ・プリント層は白金ペーストにより製造され、白金ペーストは、従来技術による量産工程により、例えばＴｉ、Ｃａ、Ｎａ、Ｋのようなアルカリ・イオンを含む。絶縁ペーストおよびＺｒＯ２基体は、さらに、他の不純物を含むことがある。センサ・エレメントの焼結の間に、不純物は、拡散により、ヒータ層から周囲の絶縁層内に到達する。ここで、ヒータの作動の間に、不純物はセンサ電極の信号と電気結合を形成する。
【００１１】
したがって、従来技術による上記のヒータ配置は、概して、次の欠点を有している。即ち、間欠的なヒータ作動により発生される容量結合および漏れ電流が、センサ信号内に測定誤差をもたらすことになる。この測定誤差は、絶縁層の絶縁効果が低下すればするほどそれだけ大きくなる。絶縁層の絶縁抵抗を化学的方法で上昇させるために、ヒータ・ペースト内、絶縁ペースト内、およびＺｒＯ２基体内の不純物濃度が低減されなければならない。このために、より高い純度を有する材料およびそれに適合された製造方法が使用されなければならず、これがセンサ・エレメントないしはセンサのより高いコストの原因となっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ヒータと、固体電解質ないしはセンサ・エレメントとの間の絶縁抵抗を、電気的方法により上昇させ、これにより、製造工程において上記のように純粋な材料を使用することに対する、コスト的に有利な、簡単に実行可能な代替態様または補足態様を提供することが本発明の課題である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
絶縁抵抗を上昇させるための本発明による電気的方法は、ヒータとセンサ・エレメントとの間、好ましくはヒータとセンサ・エレメントの電極接続端子との間におけるバイアス電圧の印加に基づいている。
【００１４】
好ましい形態においては、ヒータ電源の接地と、センサ・エレメントの電源として働くポテンショスタットの接地との間にバイアス電圧が印加され、これにより、センサ・エレメント内の電極の電位およびヒータ接続端子の電位が相互に相対的に自由に選択可能な値に移動可能である（図３）。
【００１５】
バイアス電圧は、絶縁抵抗が上昇するように作用する。これに対する可能な説明は、可動な電荷担体が、絶縁層内の電界により駆動されて、極性に応じてそれぞれ、絶縁層の縁またはヒータの方向に移動すること、およびこれにより絶縁層内の不純物濃度が低下することである（図２）。
【００１６】
以下に本発明を添付図面を参照して、実施例により詳細に説明するが、これから本発明の他の特徴および利点が得られ、この場合、図の中における同じ特徴または機能的に同じ特徴はそれぞれ同じ符号により参照される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、電流測定式の排気ガス・センサの回路技術的配置を略図で示す。電流測定式の排気ガス・センサは、ポンプ・セル１０および測定セル１５を含み、ポンプ・セル１０および測定セル１５は、基体５上に装着されている。基体５は、ここでは二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）から形成されている。ポンプ・セル１０における排気ガス・センサの感知領域（図１において左側端部領域）内に、２つの部分からなる内側ポンプ電極（ＩＰＥ）２０、２０′のみならず、外側ポンプ電極（ＡＰＥ）２５もまた配置されている。内側ポンプ電極２０、２０′は特に中空室３０内に配置されている。
【００１８】
測定セル１５の下側に、新鮮な空気が供給される空気基準室３５が形成され、空気基準室３５内における排気ガス・センサの感知領域付近に空気基準電極（ＬＲ）４０が配置されている。空気基準電極４０は、中空室３０に供給された排気ガスの、外気に関する基準測定を可能にする。センサ電極２０、２０′、２５および４０は、排気ガス・センサの感知領域とは反対側の端部（図において右側）に至るリード線４５−５５により、対応の接続端子６０−７０と電気的に導通結合されている。
【００１９】
ここでは２つの部分からなる基体５内に、ここでは白金電極から形成されている加熱要素（Ｐｔ）７５が埋め込まれている。加熱要素７５は、同様に白金（Ｐｔ）から形成されているリード線８０により、接続端子８５と結合されている。この側断面図においてはリード線８０の１つのみが示されていることを注記しておく。第２のリード線は、図示されているリード線８０の、紙面に垂直に後側に存在している。さらに、図３内の排気ガス・センサ並びに加熱要素７５は、図を簡単にするために、概略等価回路図により示されているにすぎないことを注記しておく。
【００２０】
加熱要素７５並びにリード線８０は、ここでは酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から形成されている絶縁層９０内に埋め込まれ、これにより測定セル（センサ・エレメント）に対して電気的に絶縁されている。絶縁層９０は絶縁抵抗Ｒｉｓｏにより表わされ、絶縁抵抗Ｒｉｓｏは、それ自身既知のように、絶縁層９０の幾何形状および不純物濃度の関数である。
【００２１】
図２は、本発明によるバイアス電圧に基づいて引き起こされると推測される電荷担体移動を説明するための、図１に示されている排気ガス・センサの下部部分の概略拡大断面図を示し、電荷担体移動により、センサ・エレメントの基体５とヒータ７５−８０との間に配置されている絶縁層９０の絶縁抵抗が、純粋な電気的手段により上昇される。
【００２２】
本発明によるバイアス電圧に基づいて形成される、図２に示されている電界Ｅ（矢印は電界方向を示す）により、正の電荷担体はほとんどヒータ７５−８５の方向に移動し、一方、負の電荷担体はほとんど基体５の方向に移動する。上記のように、この電荷担体移動は、同様に上記の利点によって、絶縁層９０の絶縁抵抗が上昇するという結果をもたらす。
【００２３】
センサ電極は、それ自身既知のように、図３に示されているポテンショスタット評価回路において作動される。図３の左側半分に示されている評価回路は、空気基準電極ＬＲ４０と内側ポンプ電極ＩＰＥ２０、２０′との間のネルンスト電圧ＵＬＲ−ＩＰＥ２４５を設定するための、それ自身既知のポテンショスタット機能２００を含む。ＩＰＥ電流２０５は、本来のセンサ信号として、図３に示されていないそれ自身既知の対応の回路により測定される。このような回路は、例えば、２００と２１０との間に配置されている分路抵抗を含む。ネルンスト電圧２４５の設定は、それ自身既知のように（例えば、Ａ．Ｂａｒｄ著、「電気化学的方法」、Ｊ．Ｗｉｌｅｙ＆ Ｓｏｎｓ出版、参照）、ポテンショスタット演算増幅器２１０により行われる。センサは、図３の右側半分内に、等価回路図２３０の形で示され、等価回路図２３０は、ＡＰＥ２５とＩＰＥ２０、２０′との間の降下電圧ＵＡＰＥ−ＩＰＥ２３５、ＡＰＥ２５の内部抵抗Ｒｉ，ＡＰＥ２４０並びにＬＲ４０とＩＰＥ２０、２０′との間の降下電圧ＵＬＲ−ＩＰＥ２４５およびＬＲ４０の内部抵抗Ｒｉ，ＬＲ２５０を含む。さらに、等価回路２３０は、そのオーム抵抗Ｒｉｓｏ２６０の形の絶縁層９０および加熱要素７５の抵抗ＲＨＺ２７０並びに両方の加熱要素リード線８０の抵抗２７５、２８０を含み、両方の加熱要素リード線８０は、この例においては対称的に配置され、したがってそれぞれ値１／２ＲＨＺ，Ｚｕｌを有している。
【００２４】
従来技術によるこの配置においては、ＩＰＥ２０、２０′はポテンショスタット接地２４８の電位にある。ＬＲ４０は、例えば典型的な作動状態においては、ＩＰＥ２０、２０′に対して＋４５０ｍＶにあり、またＡＰＥ２５は、ＩＰＥ２０、２０′に対して＋１Ｖにある。しかしながら、これらの電位は、センサの作動状態に応じてそれぞれ移動することがある。センサ電極２０、２０′、２５、４０の最大電位範囲が図４ａに示されている。
【００２５】
ヒータ７５−８５の電圧供給２９０は、ハイ・サイドで作動される電界効果トランジスタ２８５（「ハイ・サイドＦＥＴ」）により、しかも加熱供給電圧ＨＺ＋２９５とヒータ接地ＨＺ−３００との間で行われる。したがって、遮断状態においては、ヒータの全ての構成要素７５−８５がＨＺ＋２９５にかかっている電位にあり、一方、投入状態においては、負の電圧がかかっている加熱要素接続端子８５は、ヒータ接地ＨＺ−３００の電位にある。加熱要素７５は、上記のように、電極２０、２０′、２５および４０の領域内のセンサ・ヘッド内に存在し、且つヒータ・リード線８０より高い電気抵抗を有しているので、供給された加熱出力の大部分はここで消費される。高温状態においては、ＲＨＺとＲＨＺ，Ｚｕｌとの比は約２：１であるので、加熱電圧の約２／３はセンサ・ヘッド内の加熱要素７５により消費される。それに対応して、全加熱電圧は加熱要素７５において降下せず、図４ａにハッチングで示された、ＵＨＺｅｌ＋と、ＵＨＺｅｌ−との間の範囲のみにおいて降下する。
【００２６】
図３に示す回路装置内に、予め、本発明によるバイアス電圧を発生させるための電源３１０が含まれている。電源３１０は、ポテンショスタット接地２４８とヒータ接地３００との間に接続されている。ヒータ電圧２９５はヒータ接地３００に対するものであり、ＡＷＳの供給電圧＋／−ＵＢ，ＡＷＳはポテンショスタット接地２４８に対するものである。したがって、３１０における電圧値Ｕｖｏｒｓｐａｎｎｕｎｇの設定により、絶縁層９０の両端の絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏが調節可能である。
【００２７】
図４ａに示されている線図は、左側領域３９０内にヒータ７５−８５の典型的な電位位置を、また右側領域３９５内にセンサ・エレメント（センサ電極）２０、２０′、２５、４０に対する典型的な電位位置を示す。左側領域３９０に示されているヒータ７５−８５の電位位置は、上記のように、加熱要素７５の電位範囲４００並びにヒータ・リード線８０の電位範囲４１５から構成され、この場合、この例においては、両方のヒータ・リード線８０が電気的に対称に形成されている対称ケースが示されている。図４ａから、特に、加熱要素７５の電位範囲４００とセンサ電極２０、２０′、２５、４０の電位範囲４０５とが電位に関して（ここでは縦軸ｙ方向に）重なり、したがってＵｉｓｏ＝０が成立する、破線４１０の上方の電位範囲においては、電荷担体は絶縁層９０内を自由に可動であり、したがって図２に示されているように移動可能であることがわかる。
【００２８】
従来技術による電位配置（図４ａ）においては、ポテンショスタットの接地およびＩＰＥ２０、２０′はＨＺ−の上方２．５Ｖの値にある。したがって、加熱要素７５およびセンサ電極２０、２０′、２５、４０の電位範囲が重なり合っているので、絶縁層の両側には平均してバイアス電圧が発生せず、バイアス電圧が正、０または負である範囲が存在する。
【００２９】
図４ｂに示す従来技術による電位配置においては、外側ポンプ電極ＡＰＥ２５が加熱要素７５の供給電圧並びにバッテリ電圧に接続され、即ち、ＵＡＰＥ＝ＵＨＺ＋＝ＵＢａｔｔの関係が得られる。ＩＰＥ２０、２０′の電位位置はＡＰＥ２５に対して相対的に制御される。加熱要素７５およびセンサ電極２０、２０′、２５、４０の電位範囲は重ならないので、絶縁バイアス電圧が発生する。この変更態様の欠点は、リッチにおける排気ガス・センサの作動はＵＩＰＥがＵＡＰＥの上方にあることを必要とするので、ＩＰＥ２０、２０′はＵＢａｔｔの上方の電位で作動されなければならず、このことは純粋なバッテリ供給においては可能ではないことにある。この理由から、この電位位置を用いてはリーン運転のみが可能である。
【００３０】
上記のように、本発明は、排気ガス・センサの作動方式ないしは排気ガス・センサ内に配置されている加熱要素７５の作動方式の適切な選択により、センサ・ヘッドのいかなる空間領域内においても絶縁バイアス電圧が０とならず、正のみまたは負のみであるように、センサ電極２０、２０′、２５、４０および加熱要素７５の電位範囲の重なりが発生しないことを保証するという考え方に基づいている。加熱要素７５およびセンサ電極２０、２０′、２５、４０の両方の電位範囲４００、４０５は、両方の２つの破線の内部で示された範囲４２０により電位に関して相互に分離されている。
【００３１】
｜Ｕｉｓｏ｜＞１Ｖに対しては、既に、冒頭記載の不純物濃度の減少に基づき、絶縁抵抗Ｒｉｓｏの明らかな上昇が発生することが研究から明らかになっている。
以下に本発明によるセンサのいくつかの他の実施変更態様を図５ａ−図８ｂにより説明する。図５ａおよび図５ｂに示す実施例においては、加熱要素７５の電位範囲は、下方に縮小されるか（図５ａ）または上方に拡大される（図５ｂ）ことが予め実行されるものとする。図６ａおよび図６ｂに示す実施例においては、電圧リフトが、上方に拡大されるか（図６ａ）または下方に拡大される（図６ｂ）。図７に示す実施例においては、ここではセンサ電極２０、２０′、２５、４０に対して上方に拡大された電位範囲を得るために、加熱要素７５のリード線が非対称に設計されている。最後に、図８ａおよび図８ｂに示す実施例における本発明によるセンサは交互運転で作動され、この場合、交互運転は、上部電位範囲内においてはリーンおよびλ＝１で運転され、下部電位範囲においてはリッチで運転される。
【００３２】
図５ａに示されている例においては、正の加熱電圧がバッテリ電圧ＵＢａｔｔより下に低下されることにより、加熱要素７５の電位範囲４００が上部電位端部において拡大される。内側ポンプ電極２０、２０′の電位ＵＩＰＥは、このとき、この拡大された電位範囲内に配置される。これにより、電位範囲４００、４０５は電位に関して相互に分離され、ここでは、２つの破線の内部で表わされた範囲４２０により分離され、この範囲４２０内においては電位範囲の重なりが発生しない。この電位配置に基づき、特に、絶縁バイアス電圧が正の値をとることが保証されている。しかしながら、このために、バッテリ電圧ＵＢａｔｔより小さい値を有する正の加熱供給電圧を発生するように、それ自身既知のように実行されるべき回路技術的手段、例えばＤＣ−ＤＣ変換器が必要である。要するに、この実施例においては、個々の電圧に対して次の関係が得られる。
【００３３】
【数１】
2008537129.tif 000003
【００３４】
図５ｂに示されている実施例においては、加熱要素７５の電位範囲４００は下方で縮小される。これにより、同様に、範囲４２０の内部においては電位範囲４００、４０５の重なりが回避される。図５ａに示されている例に対応して、この場合もまた絶縁バイアス電圧は常に負の値をとり、この場合、個々の電圧に対しては次の関係が成立する。
【００３５】
【数２】
2008537129.tif 000004
【００３６】
図６ａに示されている実施例においては、ＩＰＥ電位は正の加熱電圧の上方の電位範囲内に配置される。２つの破線の内部に存在する範囲４２０内においては、この場合もまた、加熱要素７５およびセンサ電極の電位範囲４００、４０５の重なりが効果的に回避される。絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏは破線の範囲内においては値０をとるので、この場合には常に正のバイアス電圧が与えられている。この電位配置を形成するために、同様に、例えば同じくＤＣ−ＤＣ変換器による、＞ＵＢａｔｔの電圧を発生するための回路技術的手段が必要である。代替態様として、電位配置が、より高いバッテリ電圧を有する搭載電源において（例えば、４２Ｖ搭載電源において）作動されてもよい。このとき、バッテリ電圧以下のヒータ供給電圧を発生させるための回路技術的手段が必要である。
【００３７】
図６ａに示されている実施例に類似して、図６ｂに、下方に拡大された電圧リフトが発生される。しかしながら、ここでは、図６ａとは逆に、絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏは常に負の値をとる。これを形成するために、同様に、バッテリ接地以下の電圧を発生させるための、それ自身既知の回路技術的手段が必要である。
【００３８】
図７に示す実施例においては、電気加熱要素リード線８０が上方または下方に非対称に設計されるので、加熱要素７５の電位範囲４００はもはや（リード線を含む）ヒータ全体の電位範囲４００、４１５内の中央に位置することはなく、即ち、加熱要素リード線８０の両方の電位範囲４１５は、この例においては、同様に非対称に（上方が下方より大きい）形成されている。図７はこれら２つのケースの第１のケースのみを示し、即ち、下方に非対称な形態を有する第２のケースはここには示されていない。この手段に基づき、加熱要素７５の電位範囲４００の上方（ないしは下方）端部に、センサ電極２０、２０′、２５、４０に対して利用可能なより大きな電位範囲４０５（即ち、約２．５Ｖ）が可能とされ、この電位範囲４０５内において正の絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏ＞０が発生する。両方の電位範囲４００および４０５の重なりが発生しない範囲４２０の内部においては、Ｕｉｓｏ＝０が成立する。非対称ヒータ７５−８５の設計に応じてそれぞれ、絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏは正であるか（図７）または負である（図示されていない）ことを注記しておく。
【００３９】
図８ａに示されている実施例においては、センサは交互運転において作動され、即ち、上方はリーン運転に対しておよび下方はリッチ運転に対して作動される。ここに示されている電位配置においては、ポテンショスタット接地、したがってここに存在するセンサ電極の電位範囲４０５もまた、バイアス電圧の適切な制御により、リーン運転およびλ＝１においては加熱要素リード線８０の上部電位範囲４１５内に配置され、リッチ運転においてはリード線の下部電位範囲４１５内に配置される。両方の電位範囲４０５に対して、両方の範囲４２０の内部における電位範囲４００との重なりは効果的に回避される。リーン運転において、絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏは常に正であり、リッチ運転においては常に負である。しかしながら、ここではλ＝１の運転において絶縁バイアス電圧は符号を交換するので、絶縁効果が多少低下することが考慮されるべきである。
【００４０】
図８ｂに示されている実施例においては、リーン運転内のλ＝１においては、外側ポンプ電極（ＡＰＥ）２５がヒータ電源に投入され、リッチ運転においては、空気基準電極（ＬＲ）４０がヒータ電源に投入される。絶縁バイアス電圧Ｕｉｓｏは、リッチ運転においてのみならずリーン運転においてもまた正の値をとり、即ち、Ｕｉｓｏ＞０である。同様に電位範囲４００および４０５の重なりが発生しない範囲４２０の内部においては、絶縁バイアス電圧はＵｉｓｏ＝の値をとる。同様に、ＡＰＥ２５およびＬＲ４０をヒータ電源に接続するための、それ自身既知の回路技術的手段が必要である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】図１は、本発明がその中で使用可能な、従来技術による電流測定式排気ガス・センサの典型的な配置図を示す。
【図２】図２は、絶縁層の絶縁抵抗の上昇を説明するための、本発明による電荷担体移動を図示した、図１に示されている排気ガス・センサの略拡大断面図を示す。
【図３】図３は、従来技術による、中間に配置された絶縁層を有する、この排気ガス・センサおよびヒータに対する等価電気回路図を示す。
【図４ａ】図４ａは、従来技術による、センサ電極およびヒータの第１の典型的な電位位置を示す。
【図４ｂ】図４ｂは、従来技術による、センサ電極およびヒータの第２の典型的な電位位置を示す。
【図５】図５ａは、本発明により上方で縮小された加熱要素の電位範囲を示し、図５ｂは本発明により下方で縮小された加熱要素の電位範囲を示す。
【図６】図６ａは、本発明により上方に拡大された電圧リフトを示し、図６ｂは、本発明により下方に拡大された電圧リフトを示す。
【図７】図７は、非対称に設計された加熱要素リード線において、本発明により上方に拡大された、センサ電極に対する電位範囲を示す。
【図８】図８ａは、本発明により実行される、図２に示されている排気ガス・センサの交互作動を示し、この場合、センサは、上方ではリーンで作動され、下方ではリッチで作動され、図８ｂは、本発明により実行される、図２に示されている排気ガス・センサの交互作動を示し、この場合、センサは、λ＝１において、ＡＰＥがＨＺ＋のときにはリーンで作動され、またはＬＲがＨＺ＋のときにはリッチで作動される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【国際調査報告】
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