(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
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。
【請求項２】
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１記載の方法。
【請求項３】
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。
【請求項４】
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。
【請求項５】
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。
【請求項６】
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。
【請求項７】
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。
【請求項８】
前記電気回路は、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４から７までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項９】
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４から８までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項１０】
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）が接続されており、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）が接続されており、該第２の接続部は第２の拡散バリア（１３８）を有する、請求項４から９までのいずれか１項記載のセンサ装置。
【請求項１１】
前記第１の電極および前記第２の電極が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。
【請求項１２】
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。
【請求項１３】
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。
【請求項１４】
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。
【請求項１５】
前記第１の電極の前記第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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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ＺｒＯ２）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。
【０００４】
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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
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。Ｈ２Ｏ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Ｈ２Ｏ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ＣＯ２／ＣＯプロセスにおいても機能する。
【０００８】
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。
【特許文献１】独国出願第１０２００４０３５８２６号明細書
【特許文献２】独国公開第１９９３８４１６号明細書
【特許文献３】独国出願第１０２００５０２７２２５号明細書
【特許文献４】独国特許第３８０９１５４号明細書
【特許文献５】欧州特許第０６７８７４０号明細書
【特許文献６】独国出願第１０２００５０５４１４４号明細書
【非特許文献１】Robert Bosch, "Sensoren im Kraftfahrzeug", 2001, p116-p.117
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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、
ＩＧａｓ=−Ｄ・（Ａ/ｌ）・Δｃ
で表される。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【実施例】
【００３０】
本発明の実施例を図示し、以下に詳細に説明する。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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Ｈ２Ｏ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。
【００３８】
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Ｉｐ［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Ｏ２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。
【００３９】
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Ｕｐ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。
【００４０】
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Ｕｐ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。
【００４１】
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Ｕｐ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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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Ｕｐ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Ｕｐ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Ｕｐ［Ｖ］と時間ｔ［ｓ］との関係が見て取れる。ポンピング電圧Ｕｐ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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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Ｏ２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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明のセンサ素子の第１の実施例を示す図である。
【図２】本発明のセンサ素子の第２の実施例を示す図である。
【図３】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。
【図４】本発明のセンサ素子の第３の実施例を示す図である。
【図５】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。
【図６】ポンピング電圧特性を示す図である。
【図７】本発明の方法の第２の実施例を示す図である。
【図８】本発明のセンサ素子の第４の実施例を示す図である。
【図９】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。
【図１０】本発明のセンサ素子の第５の実施例を示す図である。
【図１１】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。
【図１２】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。
【符号の説明】
【００６６】
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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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