(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法であって、
該方法では、少なくとも１つのポンプセル（１５４）を有するセンサ素子（１１０）を使用し、
前記ポンプセルは、少なくとも１つの第１電極（１３６）と、少なくとも１つの第２電極（１３８）と、当該の第１電極（１３６）および第２電極（１３８）を接続する少なくとも１つの固体電解質（１４０）とを有しており、
前記の第１電極（１３６）は、測定ガス室（１１２）のガスに曝されており、
前記の第２電極（１３８）は、前記の測定ガス室（１１２）から離れた気密に封止された空所（１４４）に配置されており、
時点ｔ0に前記のポンプセル（１５４）にポンプ電圧Ｕpを加えてポンプ作動させ、
当該のポンプセル（１５４）を通って流れるポンプ電流を測定する形式の、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法において、
前記の第１電極（１３６）と第２電極（１３８）との間に形成されるネルンスト対抗電圧に特徴的な変化が発生しているか否かを求め、
当該のネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を識別した場合、前記の時点ｔ0後に当該の特徴的な変化が発生した時間Δｔから前記の酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を推定することを特徴とする、
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法。
【請求項２】
前記のネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を、ポンプ電流の跳躍的な降下または上昇によって識別する、
請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記のネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を電圧測定によって識別し、
当該の電圧測定のために前記のポンプ作動を一時的に中断する、
請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
付加的に前記のポンプセル（１５４）を通って流れる電流および／または当該のポンプセル（１５４）を通って流れる電荷を検出し、
前記の酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する際に当該の電流および／または電荷を付加的に使用する、
請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記のポンプ電圧を加える前、ポンプセル（１５４）を短絡することにより、前記の測定ガス室（１１２）と、閉じられた空所（１４４）との間に平衡状態を形成する、
請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記の第１電極（１３６）と第２電極（１３８）との間に接続される抵抗（１６０）を介して前記の短絡を行う、
請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記のポンプ電圧Ｕpを加える前にポンプセル（１５４）に排出電圧ＵEを加え、
ここで当該排出電圧を選択して、検出すべきガス成分を前記の閉じられた空所（１４４）から実質的に完全に除去する、
請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
あらかじめ定めた最大時間の後および／または前記のポンプセル（１５４）を通って流れたあらかじめ定めた最大総電荷量の後、前記のネルンスト対抗電圧の特徴的な変化が識別されなかった場合、前記のポンプ電圧の極性を逆転する、
請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記のポンプ電圧の極性を逆転する前にポンプセル（１５４）を短絡することにより、前記の測定ガス室（１１２）と、閉じられた空所（１４４）との間の平衡状態を形成する、
請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記の極性の逆転の前に排出電圧ＵEをポンプセル（１５４）に加え、
ここで当該排出電圧を選択して、検出すべきガス成分を前記の閉じられた空所（１４４）から実質的に完全に除去する、
請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記のポンプ電圧を制御して、前記のポンプ電流が、あらかじめ定めた最適範囲にあるようにする、
請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する装置（１４６）であって、
該装置（１４６）には、少なくとも１つのポンプセル（１５４）を有するセンサ素子（１１０）が含まれており、
前記ポンプセル（１５４）は、少なくとも１つの第１電極（１３６）と、少なくとも１つの第２電極（１３８）と、当該の第１電極（１３６）および第２電極（１３８）を接続する少なくとも１つの固体電解質（１４０）とを有しており、
前記の第１電極（１３６）は、測定ガス室（１１２）のガスに曝されており、
前記の第２電極（１３８）は、前記の測定ガス室（１１２）から離れた気密に封止された空所（１４４）に配置されており、
前記装置（１４６）にはさらに電気制御部（１４８）が含まれており、
当該電気制御部（１４８）は、請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法を実施するように構成されていることを特徴とする、
酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の固体の電解質特性に基づく公知のセンサ素子、すなわちこの固体の性質に起因する公知のセンサ素子により、所定のイオンを導くことを出発点とする。
【背景技術】
【０００２】
このようなセンサ素子は、例えば空燃混合気組成を測定するために自動車に使用される。例えばこの形式のセンサ素子は、いわゆる「ラムダセンサ」に使用され、ガソリン内燃機関においても、またディーゼルテクノロジにおいても排気ガスにおける有害物質を低減する際に重要な役割を果たしている。しかしながら本発明は、上記のような固体電解質を含む別の形式のセンサ素子にも適用可能である。すなわち、本発明は、バイステーブルセンサ（Sprungsonde）およびブロードバンドセンサ（Breitbandsonde）の他に、例えば、微粒子センサまたは固体電解質を有する類似の形式のセンサに適用して、例えばCO，NOxまたはNH3を測定することも可能である。以下では、権利保護範囲を制限することなく、本発明をラムダセンサの例で説明するが、上記の説明を考慮すれば、別の形式のセンサ素子、例えば、別のガス成分、例えば酸素を含むガス成分の濃度を決定するセンサ素子も作製可能である。本発明は、センサ素子と、例えば本発明のセンサ素子であるセンサ素子の作製方法と、センサ素子を作動する方法とに関する。
【０００３】
内燃機関技術においていわゆる空気量「ラムダ」（λ）とは一般的に、実際に供給される空気質量と、理論的に燃焼に必要な（すなわち化学量論的）空気質量との比のことである。ここでこの空気量は、１つまたは複数のセンサにより、多くの場合に内燃機関の排気ガス管路における１つまたは複数の箇所において測定される。これに相応して「リッチ」な混合気（すなわち燃料が過剰な混合気）は空気量λ＜１を有し、その一方「リーン」な混合気（すなわち燃料が少ない混合気）は空気量λ＞１を有する。自動車技術分野の他にこのようなセンサ素子および類似のセンサ素子は、工業技術の（殊に燃焼技術の）別の分野、例えば航空機技術分野において、または例えば暖房装置または動力装置におけるバーナを制御する際に使用される。従来技術からは上記のセンサ素子の種々異なる多くの実施形態が公知であり、また例えばRobert Bosch社の"Sensoren im Kraftfahrzeug"，２００１年６月、第１１２〜１１７頁またはT. Baunach等による"Sauberes Abgas durch Keramiksensoren", Physikjournal 5 (2006) 第５、第３３〜３８頁に記載されている。
【０００４】
ラムダセンサはさまざまな形態で公知である。第１の実施形態はいわゆる「バイステーブルセンサ」であり、その測定原理は、参照ガスと、測定すべき混合気との間の電気化学的電位差を測定することに基づいている。参照電極および測定電極は、固体電解質を介して互いに接続される。固体電解質として、酸素イオン伝導特性が良好であることに起因してふつうジルコンダイオキシド（例えば、イットリア安定化ジルコンダイオキシド、ＹＳＺ）または類似のセラミックが使用される。バイステーブルセンサとは択一的にまたはこれに付加的にいわゆる「ポンプセル」も使用され、ここでは電気的な「ポンプ電圧」は、固体電解質に接続されている２つの電極に加えられて、上記のポンプセルを通過する「ポンプ電流」が測定される。上記のバイステーブルセルおよびポンプセルのセンサ原理は、有利にはいわゆる「マルチセルラ（Mehrzeller）」方式で組み合わせて使用することも可能である。
【０００５】
しかしながら公知のセンサ素子、殊にブロードバンドセンサ素子には、実際にはいくつかの欠点および挑戦的な要素が伴っている。例えばふつうのブロードバンドセンサ素子の構造は比較的複雑である。それは多数の電極および比較的複雑な層構造が必要だからである。別の欠点は、公知のセンサ素子が、汚れに対して極めて敏感に反応しまた相応にシールドしてやらなければならない参照電極を使用することである。
【０００６】
DE 102 19 881 A1からは、測定ガス室における測定ガスの分圧を決定する測定センサが公知であり、この測定センサは、複数のポンプ電極が取り付けられたイオン伝導体（Ioneneleiter）を有する。これらのポンプ電極のうちの１つは、カバーによって気密に密閉されている。これらのポンプ電極におけるネルンスト電圧を測定することにより、またはポンプ電極間で測定される電荷量を測定することにより、測定ガス室における測定ガスの分圧を決定することができる。
【０００７】
DE 102 19 881 A1に記載された装置は、従来のブロードバンドセンサに比べて、上記の気密に密閉されたポンプ電極が周囲の影響および汚れに対して良好にシールドされているという利点を有する。しかしながらここに記載されている測定方法は、いくつかの理想的な仮定を前提としている。すなわち、例えば、流れた電荷量と電流との間に一義的かつ既知の関係がつねにあることを前提としているのである。しかしながらこの関係は、実際には変動する性質のものであるか、または上記の量の測定は、測定技術的な不測要因に起因して困難なことがあり、これによって測定の精度および信頼性が格段に低減されてしまうことがあるのである。
【特許文献１】DE 102 19 881 A1
【非特許文献１】Robert Bosch社の"Sensoren im Kraftfahrzeug"，２００１年６月、第１１２〜１１７頁
【非特許文献２】T. Baunach等による"Sauberes Abgas durch Keramiksensoren", Physikjournal 5 (2006) 第５、第３３〜３８頁
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の課題は、従来公知の方法よりも測定のフローが簡単な方法およびセンサ構造を極めて簡略化された装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記の方法についての課題は、本願発明の請求項１により、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する方法であって、この方法では、少なくとも１つのポンプセルを有するセンサ素子を使用し、このポンプセルは、少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第２電極と、この第１電極および第２電極を接続する少なくとも１つの固体電解質とを有しており、この第１電極は、測定ガス室のガスに曝されており、この第２電極は、上記の測定ガス室から離れた気密に封止された空所に配置されており、時点ｔ0に前記のポンプセルにポンプ電圧Ｕpを加えてポンプ作動させ、このポンプセルを通って流れるポンプ電流を測定する形式の、ガスの物理特性を決定する方法において、上記の第１電極と第２電極との間に形成されるネルンスト対抗電圧に特徴的な変化が発生しているか否かを求め、このネルンスト対抗電圧の特徴的な変化を識別した場合、上記の時点ｔ0後にこの特徴的な変化が発生した時間Δｔから前記のガスの物理特性を推定することによって解決される。
【００１０】
また上記の装置についての課題は、本願発明の請求項１２により、酸素濃度または酸素を含むガス成分の濃度を決定する装置であって、この装置は、センサ素子を有しており、このセンサ素子は、少なくとも１つのポンプセルを有しており、このポンプセルは、少なくとも１つの第１電極と、少なくとも１つの第２電極と、この第１電極および第２電極を接続する少なくとも１つの固体電解質とを有しており、上記の第１電極は、測定ガス室のガスに曝されており、上記の第２電極は、上記の測定ガス室から離れた気密に封止された空所に配置されており、上記装置にはさらに電気制御部が含まれており、この電気制御部は、上記の方法を実施するように構成されていることを特徴とする装置によって解決される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明は、少なくとも１つの測定ガス室におけるガスの少なくとも１つの物理特性を決定する方法に関する。以下の説明において重点は、検出すべきガス成分の測定ガス室における分圧を決定することに置かれている。本発明の方法により、少なくとも従来公知の方法における上記の欠点が大きく回避される。上記の方法は、例えば、内燃機関の排ガスにおける酸素濃度を決定するのに使用される。しかしながら択一的にはこの方法は、例えばNOx，COなどの別のガスの濃度を決定するのにも使用される。
【００１２】
本発明では比較的簡単なセンサ素子を使用し、ここでこのセンサ素子は、少なくとも１つのポンプセルを有しており、このポンプセルは、少なくとも１つの第１電極、少なくとも１つの第２電極、および第１電極と第２電極とを接続する少なくとも１つの固体電解質を有する。ここで第１電極は、（例えば直接またはガス透過性保護層を介して、例えば多孔性の保護層を介して）測定ガス室のガスに曝される。この第１電極を以下では「外部電極」（ＡＳＥ）とも称する。これに対して第２電極は、上記の測定ガス室から分離されかつ気密に封止された空所に配置されている。この第２電極を以下では「内部電極」（ＩＳＥ）とも称する。
【００１３】
ここで「気密に封止されている」空所とは、上記の測定ガス室から実質的にシールドされている空所のことである。ここでは有利には完全に気密にシールドされるため、測定ガス室とのガス交換は、上記の固体電解質だけを介して行うことができる。しかしながら上記の空所と測定ガス室との間に無視できるような接続が存在することも可能であり、ここでこの接続により、上記の２つの空間の間でガス流が可能となる。このガス流は、センサ素子の動作時に固体電解質を通って流れるガス流よりも少ないガス流（例えば少なくとも１オーダ少ない、有利には数オーダ少ない）である。
【００１４】
ここまでの説明において、本発明の方法に使用されるセンサ素子は、例えば、DE 102 19 881 A1に記載された測定センサと類似または同じである。上記のセンサ素子の構成により、従来公知のセンサ素子に比べて、例えば従来公知のブロードバンドセンサに比べて電極の数を格段に低減できるという利点が得られる。これによって上記の構造を格段に簡略化しまたコストを低減することができる。さらにここで提案される構造は、例えば従来のバイステーブルセンサおよびリーンセンサ（Magersonde)と互換性も有するため、例えば、作製において相乗効果も得ることができる。
【００１５】
しかしながらDE 102 19 881 A1とは異なり、ここではつぎのような測定方法が提案される。すなわち、この方法は少なくとも、量的な電流測定だけに関連するのではなく、所定の特徴的なイベントが発生するまでの時間を実質的に測定する方法なのである。このような時間（以下ではΔtと記す）は、DE 102 19 881 A1において必要となる電流の積分値よりも測定技術的に簡単に検出できることが多い。ここでは特徴的なイベントとして利用されるのは、適切なポンプ動作において、ふつう測定ガス室のガス組成が変化しないかまたは取るに足らない程度にしか変化しないのに対して、上記の気密に封止された空所におけるガス組成が変化するという事実である。点λ＝１が得られるようにこの変化が行われる場合、ふつう上記のネルンスト対抗電圧(Nernstgegenspannung)、すなわち上記の第１電極と第２電極との間の電気化学電位差は、跳躍的ないしは明らかに識別可能に変化する。ネルンスト対抗電圧のこのような変化は、電圧測定によって直接識別できるか、または測定されるポンプ電流における特徴的な変化の形態で記録することができる。ここでこのポンプ電流は、有効ポンプ電圧（すなわちネルンスト対抗電圧と外部から加えたポンプ電圧との重ね合わせ）によって決まる。
【００１６】
上記のポンプ電圧の印加と、特徴的なイベントの発生との間の時間から、ガスの物理特性、例えばガス組成（例えば測定ガス室におけるガス成分の分圧）を推定することができる。この関係は、経験的、半経験的または分析な手法で作成可能である。
【００１７】
したがって上記の方法は、測定のフローが極めて簡単になることによって従来公知の方法よりも優れている。最も簡単な場合、ポンプ電圧の印加と、特徴的なイベントの記録と、時間からのガス組成推定とだけが必要である。さらにすでに説明したようにセンサ構造を極めて簡略化することができる。
【００１８】
単独また組み合わせで実現可能な本発明の方法のさらなる詳細および発展形態を、以下の実施例の枠内で詳しく説明する。ここでは上記の方法の他にさらに装置が提案される。この装置には、冒頭に説明した特徴を有するセンサ素子の他にさらに電子制御部が含まれており、この電子制御部は、上記または以下に説明する複数の実施形態のうちの１つで本発明の方法を実施するように構成されている。
【実施例】
【００１９】
本発明の実施例を図面に示し、以下の説明において詳述する。
【００２０】
図１には、従来技術のセンサ素子１１０の実施例が示されており、このセンサ素子はブロードバンドラムダセンサとして使用され、測定ガス室１１２における酸素分圧を測定する。センサ素子１１０は、外部ポンプ電極（ＡＰＥ）１１４および内部ポンプ電極（ＳＰＥ）１１６を有しており、これらは第１の固体電解質１１８によって分離されている。外部ポンプ電極１１４が直接またはガス透過性の保護層を介して測定ガス室１１２に接続されているのに対して、内部電極１１６はポンプ室１２０に配置されており、このポンプ室は、酸素のウェイク（Nachstroemen）を制限する拡散バリア１２２を介して測定ガス室１１２に接続されている。
【００２１】
この実施例において内部ポンプ電極１１６は、２ピースで構成されておりまた第２固体電解質１２４に配置される第２電極部分を有する。この内部ポンプ電極１１６の反対側には参照電極１２６が配置されており、これは空気参照チャネル１２７に配置されている。
【００２２】
さらに上記のセンサ素子１１０は、ヒータ１３０およびヒータ絶縁器１３２を備えた加熱素子１２８を有する。
【００２３】
上記の外部ポンプ電極１１４と内部電極１１６との間に電圧（ポンプ電圧）を加えることにより、内部ポンプ電極１１６から外部ポンプ電極１１４にまたはこの逆に酸素イオンを移動させることができる。外部ポンプ電極１１４と内部ポンプ電極１１６との間のポンプ電圧は制御されて、上記の参照電極１２６と、第２固体電解質１２４と、内部電極１１６とによって構成されるネルンストセル１３４に一定の電圧が調整される。原理的には上記のポンプ電圧は、正の値も負の値もとり得る。ポンプ電圧が正の場合、酸素はポンプ室１２０からポンピングによって排出され、これに対して負のポンプ電圧により、酸素はポンプ室１２０へと強制的に移動され、酸素はそこで拡散バリア１２２を通して拡散したリッチガスと反応して減少する。これらの酸素イオンは、外部ポンプ電極１１４においてCO2および／または水が分解することによって得られる。
【００２４】
上記の制御に対し、システム状態の種々異なるケースが発生し得る：
１．ＵNernst＜ＵSoll（リーンな混合ガス組成）：
ポンプ電極１１４，１１６間のポンプ電圧を上昇させる。空気参照電極１２６と内部ポンプ電極１１６との間のネルンスト電圧ＵNernst＝ＵSollによって新たな平衡状態が調整されるまで、ポンプ室１２０において酸素分圧が低下する。
【００２５】
２．ＵNernst＞ＵSoll（リッチな混合ガス組成）：
上記の制御器によってポンプ電圧（場合によって負の値まで）低下し、ＵNernst＝ＵSollの目標値が達成されるまでポンプ室１２０における平衡酸素分圧が上昇する。
【００２６】
ＵNernst＝ＵSollに制御することは、上記の酸素分圧を一定の小さい値に調整することに相当する。拡散バリアを介して酸素分圧の勾配が発生することにより、この分圧の差分に比例する粒子拡散電流（Diffusionsteilchenstrom）が発生する。上記のネルンスト電圧の目標値では、電荷数ｑ＝４ｅを考慮すると、第１固体電解質１１８を通るポンプ電流は、まさにこの判流した粒子量に相当してなければならない。
【００２７】
酸素分圧についてプロットすると、ポンプ電流の直線的な特性曲線が得られる。空気量λについてのポンプ電流の経過に対し、排気ガスにおいて測定した酸素分圧から出発して、燃焼反応の前の領域だけに対して定められる空気量を逆算しなければならない。図１によるセンサ素子１１０の測定原理のさらなる詳細については、例えば、冒頭に述べた従来技術（例えば、T. Baunach等による刊行物）を挙げることができる。図示のセンサ素子１１０は、比較的複雑であり、また少なくとも３つの電極端子が必要である。
【００２８】
図１に記載した上記のセンサ素子１１０では、酸素分圧を決定するために１つの情報（測定量）だけしか必要としない（例えば拡散によって決まるポンプ電流）。それは、測定すべきガスには、関連するガスタイプ（例えば酸素、残留酸素）は１つだけしか存在しないからである。関連する第２のタイプが存在し得る場合（例えばリッチモードにおける炭化水素）、多くの場合にはないしは多くのセンサ変形形態においては多義的な特性曲線が得られる。独立した２つの測定点に拡張することによってのみ、検出すべきガスタイプの分圧の絶対値を決定することができる。これらの独立した測定点は、ふつう複数電極装置によって（例えば、図１に示した３電極装置を用いて）実現することができる。したがってセンサ素子１１０に組み込まれる加熱素子と共に、５つのコンタクトを有するセンサ素子が得られる。ここでこれらのコンタクトのうちのいくつかを部分的にまとめることも可能である。しかしながら上述と同じくコンタクトの数が多くなるため、技術的なコストが高くなりまたセンサ構造が複雑になる。
【００２９】
これに対して図２には本発明の枠内で使用可能センサ素子１１０の実施例が示されてくる。ここで説明するセンサ素子１１０およびこのセンサ素子を作動する方法は、配置する電極の数を少なくする（２電極配置構成）ことに基づいており、この電極配置により、閉じられた空所の形態の参照室および複数フェーズの測定方式の組み合わせで所要の独立した測定点が実現される。電極の数が最小限であること（２電極配置構成）に相応して、また内部加熱素子１２８の接触接続に伴い（例えば加熱素子１２８のアースと、上記の電極のうちの１つとが接続されているか否かに依存して）４つないしは３つのコンタクトワイヤだけしか必要ない。
【００３０】
図示のセンサ素子１１０はここでも、以下では外部センサ電極（ＡＳＥ）とも記す第１電極１３６と、以下では内部電極（ＩＳＥ）とも記す第２電極１３８とを有する。電極１３６，１３８は、固体電解質１４０によって互いに接続されている。外部センサ電極１３６が、拡散を制限する作用も及ぼし得るオプションの多孔性保護層１４２を介して、測定すべきガス混合気の存在する測定室１１２に接続されているのに対して、内部センサ電極１３８は気密に閉じられた空所１４４に配置されている。この実施例においても同様に固定電解質材料によって構成されるこの気密に閉じられた空所は全部または一部を多孔性の充填材料で充填することもでき、この充填材料によってガスの取り込みおよび放出が可能になる。さらに図２に示した実施例においてセンサ素子１１０はここでもオプションでヒータ１３０およびヒータ絶縁器１３２を有する加熱素子１２８を有する。
【００３１】
内部センサ電極１３８はこの場合に純粋な酸素電極（ネルンスト電極）として機能する。外部電極１３６も同様に酸素電極として実施することができる。２つの電極１３６，１３８との間のネルンスト対抗電圧の平滑な特性曲線を得るため、（動作モードに応じて）酸素電極とは択一的に混合電位電極（Mischpotentialelektrode）を使用することも可能である。
【００３２】
図３には装置１４６の実施例が示されており、この装置には図２のセンサ素子１１０を使用することができる。この実施例において装置１１０は、排気ガスにおける酸素濃度を決定するのに使用される。この装置１４６には、センサ素子１１０の他に電子制御部１４８が含まれており、これは、センサ素子１１０を用いて本発明の測定方法を実施するように構成されている。この電子制御部にはトリガ装置１５０が含まれており、このトリガ装置は、以下に説明する測定方法を時間的に制御するように構成されている。さらに電子制御部１４８にはポンプ電圧源１５２が含まれており、このポンプ電圧源は、２つの電極１３６，１３８および固体電解質１４０から形成される図２のセンサ素子１１０のポンプセル１５４に１つまたは複数の電圧を供給する。電子制御部１４８はこの他に電圧測定装置１５６と、電流測定部１５８と、有利には複数のオーム抵抗１６０とを有する。
【００３３】
図３の実施例において電子制御部１４８の個々の素子の配線はつぎのように行われる。すなわち、２つの電極１３６と１３８（後者はセンサ素子１１０の内部に設けられる）との間に電圧測定装置１５６が接続されてこれらの電極１３６，１３８の間の電圧が測定できるように行われるのである。電流測定装置１５８は、スイッチ１６２を介して選択的にポンプ電圧源１５２または複数のオーム抵抗１６０のうちの１つと直列に接続される。スイッチ１６２の位置は、制御線路１６４を介して、例えばトリガ装置１５０によって変更および／または時間的に制御される。
【００３４】
装置１４６は図３の実施例とは異なって構成できることも指摘しておく。しかしながらいずれの場合にも上記の装置には電子制御部が含まれており、ここでこの電子制御部は、センサ素子１１０の２つの配線の間で切り換えることができ、これによって時間的に前後して続く少なくとも２つの動作モードが可能になる。ここまではいずれの場合にもスイッチ１６２が設けられる。第１の配線状態ではポンプセル１５４にポンプ電圧が加えられるため、この場合にはスイッチ１６２の他にポンプ電圧源１５２を設けなければならない。ここではポンプ電流も測定されるため、さらに電流測定装置１５８も含まれるべきである。これに対して第２の状態では複数の選択肢がある。したがってまず測定ガス室１１２と、閉じられた空所１４４（図３では識別できない）との間に平衡状態をつぎのようにして形成することができる。すなわち、電極１３６，１３８をオーム抵抗１６０（このオーム抵抗は有利には値０をとることができるかまたは複数のオーム抵抗からまとめることもできる）を介して短絡することによって平衡状態を形成することができるのである。ここでもまた電流測定装置１４８を介して、流れる電流が測定される。択一的または付加的には電圧測定装置１５６を介して、電極１３６，１３８間のネルンスト電圧を測定することができる。この場合、ネルンスト電圧測定部は、電子制御部１４８の必須の構成部材である。
【００３５】
さらに電子制御部１４８，例えばトリガ装置１５０は、１つまたは複数のマイクロコントローラを含むことができ、このマイクロコントローラは、以下に説明する測定方法を実行するように構成されている。この他に別の電子コンポーネント、例えばすでに述べた電子コンポーネントを設けることができる。
【００３６】
図３に示した装置１４６によって複数フェーズの測定方式が可能であり、この測定方式は、時間制御または電荷制御または電流制御または電圧制御によって、能動的に加えられる電圧シーケンスおよび／または電流シーケンスおよび／または受動的な負荷（アイドリング−オーム負荷抵抗−短絡）との間で切り換えることができる。
【００３７】
本発明では、ポンプ電圧源１５２によってポンプセル１５４に（時間的に一定なおよび／または制御されたおよび／または時間的に変化する）ポンプ電圧が加えられる測定方法が提案される。ここでは電流測定装置１４８を介して、ポンプセル１５４を通るポンプ電流が測定される。このポンプ動作中には連続してまたは所定の間隔で（例えば規則的な間隔で）、ポンプセル１５４の１つまたは複数の特性量が特徴的に変化するか否かが求められる。ここでこれは例えばつぎのような特性量である。すなわち、内部センサ電極１２８の電位と、外部センサ電極１２６との間の電位差によって発生するネルンスト対抗電圧の跳躍的な変化を特徴付ける量である。ネルンスト対抗電圧のこのような特徴的な変化は、ラムダの変化、すなわち閉じられた空所１４４内の空気量がリッチ領域からリーン領域に変化することを示している。この特徴的な変化は、例えば、電子制御部１４８の簡単な電子構成部材によっておよび／または電子制御部１４８におけるパターン識別によって識別することができる。
【００３８】
ネルンスト対抗電圧のこのような特徴的な変化は、例えば（択一的または組み合わせで）使用可能な２つの手法で求めることができる。第１の方法ではこのため、ポンプセルを通りかつ電流測定装置１５８によって記録されるポンプ電流を監視して、殊に特徴的な跳躍（例えば跳躍的な減少）について調べる。択一的または付加的には電圧測定装置１５６によって電極１３６と１３８との間の電圧を直接求めることにより、上記の特徴的な変化を求めることもできる。このために例えばこの電圧測定に対して、（例えばあらかじめ設定した、例えば規則的な繰り返し間隔で）ポンプ電圧源１５２からポンプセル１５４に加えられる電圧を一時的に中断することができる。この中断そのものは例えばスイッチ１６２によって（例えばトリガ装置１５０によって制御して）行うことかできる。これにより、上記のネルンスト対抗電圧を直接適合化することができ、この場合に上記の特徴的な変化は、測定される電圧の特徴的な変化を表す。
【００３９】
いずれの場合も測定量として時間Δｔを使用する。ここで上記のポンプ電圧を加え始めた（時点ｔ0）後、この時間Δｔに上記の特徴的な変化がはじまるのである。付加的にはオプションで例えば、時間Δｔ中にポンプセル１５４を流れる電流および／または時間Δｔ中にポンプセル１５４を流れる電荷を求めて、測定の評価時に考慮することもできる。これによって測定の精度を高めることができる。上記の電流および／または流れた電荷の考察は、択一的には上記の時間Δｔとは別の時間にわたって行うこともでき、例えば平衡状態になるまで、すなわちポンプ電流が消滅した状態になるまで行うことができる。
【００４０】
したがって上記の測定から分かるのは、上記の変化によってマーキングされるリッチからリーンへのラムダ変化までにいくつの酸素（ないしは検出しようとする別のガス成分）が空所１４４からポンピングによって排出されたかないしはこれにポンピングによって汲み上げられたはずであるかである。
【００４１】
ラムダ変化までのこの酸素量から測定ガス室１１２におけるガス混合気組成を量的に推定できるようにするためにはさらに、この測定を開始する前に空所１４４を既知の酸素分圧に調整しなければならない。これはさまざまな手段によって行うことができる。１つにはポンプ電圧を加える前にポンプセル１５４を短絡することにより、測定ガス室１１２と、閉じられた空所１４４との間の平衡状態を調整することが可能である。この短絡は、上記のように例えばオーム抵抗１６０を中間に接続することによって行うことができる。（例えば経験に求められかつ例えば固定に設定される）時間だけ待機した後および／または電流測定装置１５８によって測定される電流が漸近的に値ゼロに近似した場合にこのような平衡状態が形成され、また空所１４４における酸素分圧が、実質的に測定ガス室１１２の酸素分圧に相応する。ラムダ変化までに空所１４４にポンピングで汲み上げられるないしはポンピングされて排出しなければならない酸素の量を上記の方法にしたがって測定した場合には、この既知の出発点から前の分圧を推定することができる。ここでこの分圧は、測定ガス室１１２における分圧に等しい分圧である。これは、例えば、全体とした流れた電荷量ないしは時間Δｔから、記憶した曲線または値を使用して（例えば電子式のテーブルを使用して）ラムダ値を求めることにより、経験的に行うことできる。しかしながらこれとは択一的またはこれに付加的に例えば、センサ素子１１０の既知の物理量、例えば空所１４４の大きさ、固体電解質１４０の導電率などを用いて解析的または半経験的な評価を行うこともできる。
【００４２】
上記の方法は、適切なシーケンシャルな測定方式において、場合によっては平衡状態をあらかじめ形成する方策と組み合わせることも可能であるが、この方法の択一的な形態では、空所１４４における所定の出発状態がつぎによって形成される。すなわち、この空所を最初に「ポンピングして空に」して、この空所１４４における酸素分圧が極めて小さくなるようにすることによって形成されるのである。ここで「極めて小さい」とは、例えば酸素の分圧が10-7バーよりも小さいことであるとすることできる。「ポンピングして空にする」ため、ポンプ電圧を加える前に排出電圧ＵEをポンプセルに加える。この排出電圧は相応に極性を与えて、酸素が空所１４４からポンピングによって排出されるようにしなければならない。上記の排出過程に対して、例えば固定に設定される時間、すなわち、経験的に見てこの時間内に空所１４４からポンピングによって実質的に完全に酸素が排出された時間をあらかじめ設定することができるか、または電流経過そのものを電流測定装置１５８によって監視して、あらかじめ定めた限界を下回る（電流そのものが漸近的にゼロに近づく）とただちに上記の排出過程を中止することも可能である。この場合にも所定の出発状態が形成される。
【００４３】
所定の出発状態から出発して空所１４４のポンプ汲み上げないしはポンプ排出をどの位の時間行った後、空所１４４におけるラムダ変化が生じるかが求められる上記の方法では、多くの場合に、ポンプ電圧の極性が誤って選択されるという障害がなお存在する。したがって例えば、すでにリーンの出発状態のある空所１４４（λ＞１）において酸素がさらにポンピングで汲み上げられることがあり得るのである。この場合に空気量ラムダは、λ＝１の方向に向かって動くのではなくさらに上昇する。つまり上記の特徴的な変化を決定することはできないのである。逆に、すでにリッチ状態にある空所（λ＜１）からさらに酸素がポンピングで排出されて、同様にラムダ変化が達成されない場合も発生し得るのである。
【００４４】
上記の問題を解消するため、さまざまな方策がある。第１の方策は、測定ガス室１１２におけるガス混合気がリッチまたはリーン状態のいずれであるについての情報がすでにあることである。したがって例えば所定の機関タイプを作動させて、通常時において排気ガス組成がリーンの空気量領域で移動するようにする。このことは出発情報として使用することができ、これによって上記の特徴的な変化を得るため、ポンプ電圧を選択して酸素が空所１４４からポンピングで排出されるようにする。
【００４５】
最初に説明した方策と組み合わせて実現することも可能な別の方策は、試しに１方向にポンピングすることである。この最初のポンピング方向により、ラムダ変化が起こらないことが判明した場合、このポンピンクに続いてポンピング方向を逆転することができる。この方法は「試行錯誤」方法とも称することができ、また例えば自動的に実行することも可能である。例えば、あらかじめ設定した最大時間の後および／または上記のポンプセルを通って流れるあらかじめ設定した最大全電荷流量にしたがって、ネルンスト電圧の特徴的な変化が発生しなかったことを識別することができる。この場合にはこのポンプ過程を中断して、例えばポンプ電圧の極性を逆転することができる。
【００４６】
上記のポンプ電圧の極性を逆転する前にここでも上記のように所定の出発状態を形成することができる。これは例えばここでも、上記のようにポンプセル１５４を短絡させることによって空所１４４と測定ガス室１１２との間の平衡状態を形成することによって行うことができる。択一的または付加的には上記の説明と同様にここでもポンピングによって上記の空所を空にすることできる。
【００４７】
このようにして上記の方法により、どのような場合であってもラムダ変化が識別されること保証される。それでもなお特徴的な変化が記録されない場合、このことも同様に記録することができ、また例えば相応するエラー通知を出力することができる。
【００４８】
上で説明したようにポンプ動作時にポンプセル１５４に加えられるポンプ電圧は、例えば、時間的に一定に選択することが可能である。しかしながらポンプ電圧シーケンスまたはあらかじめ設定した変化の経過を有する可変のポンプ電圧を使用することもできる。さらにこのポンプ電圧を制御して、ポンプ電流が、あらかじめ設定した最適範囲にあるようにすることも可能である。
【００４９】
以下では図５Ａ〜５Ｅに基づいて、本発明の方法のシーケンスの詳細な例を説明する。この方法を理解するため、まずネルンスト対抗電圧ＵN（ここでは参照符号１６６で示されている）の理想的な経過を図４に示す。この電圧は、ポンプセル１５４に外部電圧が加えられていない場合にセンサ素子１１０の電極１３６，１３８間に調整される。ここでは空気量λ＝１におけるネルンスト対抗電圧の跳躍、すなわち（図４において参照符号１６８で示されている）リッチなガス混合気から、（図４において参照符号１７０で示されている）リーンなガス混合気に変化する際のネルンスト対抗電圧の跳躍を明瞭に識別することができる。図４にはさらに酸素の平衡状態分圧（ここでは参照符号１７２によってシンボリックに示されている）が示されており、この平衡状態分圧も、リッチなガス混合気１６８からリーンなガス混合気１７０に変化する際に同様に特徴的な跳躍１７２を行う。
【００５０】
図４において曲線１６６で示したネルンスト対抗電圧は、場合によっては外部から電極１３６，１３８に加えられる電圧、例えばポンプ電圧Ｕpに重ね合わされる。ここでは有効ポンプ電圧（Ｕeff）が形成され、この有効ポンプ電圧によってポンプ電流が決定される。すなわち、
Ｕeff＝ＵP−ＵN
である。
【００５１】
上記のネルンスト対抗電圧ＵNに特徴的な跳躍が発生する場合、このことは、有効ポンプ電圧Ｕeffの跳躍という形で現れ、ひいては上記のオームの式を介してポンプ電流の跳躍という形で現れる。
【００５２】
図５Ａ〜５Ｅには極めて大まかに特徴量が示されており、これらの特徴量は、本発明の有利な実施例において時間の関数として得られるものである。ここで図５Ａは、外部からポンプセル１５４に加えられるポンプ電圧Ｕpを示しており、図５Ｂは、空所１４４における酸素分圧p(Ｏ2)を示しており、図５Ｃは、ネルンスト対抗電圧ＵNを示しており、図５Ｄは、ポンプ電圧Ｕpおよびネルンスト対抗電圧ＵNから合成される有効ポンプ電圧Ｕeffを示しており、図５Ｅは、ポンプセル１５４を通って流れかつ例えば電流測定装置１５８によって検出されるポンプ電流Ｉpを示している。
【００５３】
この方法の出発点は、空所１４４と測定ガス室１１２との間の平衡状態であり、これは例えばポンプセル１５４の低抵抗の負荷または短絡によって形成される（上記を参照されたい）。この平衡状態は、ネルンスト電圧ないしは混合電位電圧（Mischpotentialspannung）による酸素イオン移動に起因して生じる。
【００５４】
引き続いて時点ｔ0にポンプ電圧またはポンプ電流がポンプセル１５４に加えられて、例えば酸素が空所１４４にポンピングされる。この実施例では図５Ａからわかるようにこのために一定のポンプ電圧Ｕpを使用している。これに相応してこの実施例ではポンプ電流Ｉpが発生する。このポンプ電流は理想的に一定とすることが可能である。ここでは所定のポンプ過程が行われ、ポンピングされる酸素量は、ポンピングした電荷量に比例する。図５Ｂに示した空所１４４における酸素分圧は、これに相応して、図５Ｅのポンプ電流Ｉpについての積分値に伴って増大する。
【００５５】
この実施例において前提としたのは、ポンピング方向が正しく選択されており、例えば空所１４４におけるリッチな出発状態から出発することであり、この出発状態ではポンピングによって酸素が汲み上げられる。これに相応して開始時点ｔ0後の時間Δｔの後、λ＝１の点に達する状況が発生する。これは、図５Ｃに示したネルンスト対抗電圧ＵNにおける特徴的な跳躍によってはっきりと現れ、この特徴的な跳躍により、今度は有効なポンプ電圧Ｕeffにおける特徴的な跳躍が発生する。この実施例において、この有効ポンプ電圧は時点ｔ0＋Δｔに一層低い値に落ち込む。これそのものはポンプ電流Ｉpにおける特徴的な跳躍に現れ、これはこの場合にポンプ電流の急峻な落ち込みである。このポンプ電流における跳躍は識別可能である。この識別は、例えば電子制御部１４８によって行うことができ、例えばポンプ電流の微分のピークを監視することによって、トリガ閾値を設定することによって、および／またはポンプ電流の電流経過の低下を識別するパターン識別方法によって行うことができる。上記の時間Δｔおよびその時点までに流れた電流から、ポンピングによって空所１１４に汲み上げられた酸素量の総量ないしはポンピングによって空所１４４から排出された全酸素量を推定することができ、ないしは経験的に求められる特性曲線を介して空気量ラムダを直接推定することができる。この総量は、ポンプ電流についての積分と相関し、ここでこの積分は、図５Ｅに示した曲線の下側の斜線を付けた面積１７４に相応する。この出発状態は測定ガス室１１２における分圧に相当したため、今度はここからさらに排気ガス測定ガス室１１２における酸素分圧を推定することができる。
【００５６】
ポンプ電流Ｉpにおけるラムダ変化を検出する代わりに、上記のように択一的にまたは付加的に２つの電極１３６，１３８間のネルンスト電圧ＵNを直接測定することによってこの特徴的な点を識別することも可能である。これは例えばつぎのように実現することができる。すなわち例えばスイッチ１６２を用いてつねにポンプ動作（ポンプセル１５４にポンプ電圧を加える）と、ネルンスト動作（ポンプ電圧を加えずにネルンスト対抗電圧を純粋に測定する）との間でいったり来たり切り換えることによって実現することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】従来技術のブロードバンドセンサの実施例を示す図である。
【図２】本発明の枠内で使用されるセンサ素子の実施例を示す図である。
【図３】本発明の枠内で使用される装置の実施例を示す図である。
【図４】酸素の平衡分圧およびネルンスト対抗電圧の概略経過を空気量λに依存して示す線図である。
【図５】本発明による方法の１実施例を実行中のさまざまな物理量の概略的な経過を示す線図である。
【符号の説明】
【００５８】
１１０  センサ素子、  １１２  測定ガス室、  １１４  外部ポンプ電極、  １１６  内部電極、  １１８  固体電解質、  １２０  ポンプ室、  １２２  拡散バリア、  １２４  第２固体電解質、  １２６  参照電極、  １２７  空気参照チャネル、  １２８  加熱素子、  １３０  ヒータ、  １３２  ヒータ絶縁器、  １３４  ネルンストセル、  １３６  第１電極、  １３８  第２電極、  １４０  固体電解質、  １４２  多孔性保護層、  １４４  空所、  １４６  装置、  １４８  電子制御部、  １５０  トリガ装置、  １５２  ポンプ電圧源、  １５４  ポンプセル、  １５６  電圧測定装置、  １５８  電流測定装置、  １６０  オーム抵抗、  １６２  スイッチ、  １６４  制御線路、  １６６  ネルンスト対抗電圧、  １６８  リッチなガス混合気、  １７０  リーンなガス混合気、  １７２  平衡状態分圧
【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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