DE102011001028B4

DE102011001028B4 - Gassensorelement, Gassensor und Kontrollsystem eines Gassensors

Info

Publication number: DE102011001028B4
Application number: DE102011001028.9A
Authority: DE
Inventors: Takeshi Kawai; Shin Yoshida; Shigeki Mori; Hiroshi Inagaki; Seiji Oya; Kentaro Mori
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2010-03-02
Filing date: 2011-03-02
Publication date: 2022-01-20
Anticipated expiration: 2031-03-03
Also published as: US20110214988A1; DE102011001028A1; JP5214651B2; JP2011180041A; US9429541B2

Abstract

Gassensorelement (10/2) mit zumindest einer Zelle (240/245), die ein Festelektrolytsubstrat (120/140) und ein Paar Elektroden (171, 181/191, 201) umfasst, welche das Festelektrolytsubstrat (120/140) innig dazwischen eingesetzt aufweisen, sodass das Gassensorelement (10/2), wenn betrieben, ein Informationssignal ausgibt, das eine Konzentration eines bestimmten Gases in einer gasförmigen Umgebung darstellt,wobei zum Ausgeben des Informationssignals ein Stromfluss durch eine der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201), das Festelektrolytsubstrat (120/140) und die andere der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201) der Zelle (240/245) eingeprägt wird;wobei ein Kompensationswiderstand (220) integral durch das Gassensorelement (10/2) bereitgestellt ist, und der Kompensationswiderstand (220) einen Widerstandswert aufweist, der eine Korrekturinformation repräsentiert, die zum Korrigieren des Informationssignals benutzt wird;und wobei der Kompensationswiderstand (220) über ein Paar Stromleitungen parallel an die Zelle (240/245) angeschlossen ist und an einer Position angeordnet ist, die von dem Festelektrolytsubstrat (120/140) elektrisch isoliert ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gassensorelement und einen Gassensor zum Erfassen der Konzentration eines spezifischen Gases in gasförmiger Umgebung und ein Kontrollsystem des Gassensors.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Bisher wurden zum Erfassen der Konzentration von Sauerstoff im Abgas aus einem Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs verschiedene Arten von Gas- (d.h. Sauerstoff-) Sensoren vorgeschlagen und in praktischen Gebrauch genommen. Davon sind einige von einer Art, die ein Gassensorelement nutzt, das eine Zelle mit einem Festelektrolytkörper aus Zirkondioxid oder dergleichen und ein Paar Elektroden umfasst, welche den Festelektrolytkörper eng dazwischen eingesetzt aufweisen. Die Konzentration eines bestimmten Gases wird auf Grundlage von Strom erfasst, der zwischen den Elektroden durch den Festelektrolytkörper fließt.
Wie bekannt neigen diese Gassensorelemente dazu, Variationen in der Ausgabe zu zeigen, die durch Variationen in der Produktion verursacht sind. Zur Kompensierung der Variationen in der Sensorelementausgabe wurden verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen, von denen eine in der japanischen Patent-Auslegeschrift (Tokkaihei) 9-15201 (publiziert unter JP H09-15201 A ) gezeigt ist.
Die Maßnahmen, die in der Schrift gezeigt sind, sehen einen Widerstand, der auf einer Oberfläche eines Keramiksubstrats bereitgestellt ist, um als Erfassungsabschnitt zu dienen, und einen Spannungsteilungswiderstand (oder Kompensationswiderstand) vor, der parallel zum den Erfassungswiderstand angeschlossen ist. Durch Ausführen eines Lasertrimmens auf den Spannungsteilungswiderstand wird der Wert des Widerstands (oder Widerstandswert) angepasst. Mit derartigen Maßnahmen sind mehrere erzeugte Sensorelemente imstande, gleichmäßige Ausgaben zu zeigen.
In EP 0 973 029 A1 ist eine Steueranordnung eines linearen Sauerstoffsensors, in US 5,844,122 A ein Sensor mit einer korrigierenden Ausgabefunktion und in US 6,635,161 B2 ein NOx Sensorkontrollschaltkreis und ein NOx Sensorsystem beschrieben.
Kurzdarstellung der Erfindung
Aufgrund des inhärenten Baus des Sensorelements der Schrift, rufen Temperaturänderungen des Keramiksubstrats an sich keine wesentlichen Änderungen im Widerstandswert desselben hervor. Daher ist bei einem derartigen Sensorelement die Ausgabeanpassung leicht durch Anschließen des Spannungsteilungswiderstands parallel an den Erfassungswiderstand erzielt.
Wenn die oben genannten Maßnahmen jedoch einfach auf ein Gassensorelement Anwendung finden, das eine Zelle mit einem Festelektrolytkörper und ein Paar Elektroden umfasst, welche den Festelektrolytkörper dazwischen eingesetzt aufweisen, rufen Temperaturänderungen des Festelektrolytkörpers erhebliche Änderungen im Widerstandswert desselben hervor. Dadurch ist in diesem Falle der Grad des Beitrags des Kompensationswiderstands zur Ausgabeanpassung des Sensorelements abhängig von der Temperatur variiert, der der Festelektrolytkörper ausgesetzt ist, und daher muss die Ausgabeanpassung des Sensorelements durch Berücksichtigen der Temperaturänderung des Festelektrolytkörpers erfolgen. Kurz gesagt muss in diesem Falle die Bereitstellung des Kompensationswiderstands durch Berücksichtigen der Temperaturänderung des Festelektrolytkörpers erfolgen, wodurch ein komplizierter Bau des Sensorelements unvermeidbar bewirkt ist.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gassensorelement bereitzustellen, das von den oben genannten Nachteilen frei ist.
Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein wirtschaftliches Gassensorelement bereitzustellen, das eine Zelle mit einem Festelektrolytkörper und ein Paar Elektroden umfasst, welche den Festelektrolytkörper dazwischen eingesetzt aufweisen, und das imstande ist, die Ausgabe des Sensorelements akkurat zu kompensieren.
Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gassensor und ein Kontrollsystem des Gassensors bereitzustellen, auf die das Gassensorelement praktisch angewendet ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Gassensorelement bereitgestellt, das zumindest eine Zelle aufweist, die ein Festelektrolytsubstrat und ein Paar Elektroden umfasst, welche das Festelektrolytsubstrat eng dazwischen eingesetzt aufweisen, sodass das Gassensorelement, wenn betrieben, ein Informationssignal ausgibt, das eine Konzentration eines bestimmten Gases in einer gasförmigen Umgebung darstellt, wobei zum Ausgeben des Informationssignals ein Stromfluss durch eine der gepaarten Elektroden, das Festelektrolytsubstrat und die andere der gepaarten Elektroden der Zelle eingeprägt wird, wobei ein Kompensationswiderstand integral vom Gassensorelement bereitgestellt ist und der Kompensationswiderstand einen Widerstandswert aufweist, der eine Korrekturinformation repräsentiert, die zum Korrigieren des Informationssignals benutzt wird, und der Kompensationswiderstand über ein Paar Stromleitungen parallel an die Zelle angeschlossen ist und an einer Position angeordnet ist, die von dem Festelektrolytsubstrat elektrisch isoliert ist.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Kompensationswiderstand parallel an die Zelle angeschlossen, und dadurch sind der Vorgang zum Erhalten des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands und der Vorgang zum Leiten von Strom zur Zelle durch Benutzung von gemeinsamen Stromleitungen erzielt. Das bedeutet, dass es nicht notwendig ist, Stromleitungen für jede Arbeit (oder Aufgabe) vorzusehen, wodurch eine Kosteneinsparung bewirkt ist. Die Stromleitungen zum Kompensationswiderstand sind von dem Festelektrolytsubstrat elektrisch isoliert. Dadurch ist, auch wenn der Widerstandswert des Festelektrolytsubstrats aufgrund einer Temperaturänderung erheblich geändert ist, Information über den Widerstandswert des Kompensationswiderstands erhältlich, ohne durch die Widerstandsänderung des Festelektrolytsubstrats beeinträchtigt zu sein. Dementsprechend kann durch Benutzen einer korrigierten Information, die auf Grundlage von Information berechnet ist, welche von dem Gassensorelement ohne Beeinträchtigung durch die Änderung des Widerstandswerts des Festelektrolytsubstrats erhalten ist, ein Informationssignal, das von dem Gassensorelement ausgegeben ist, korrigiert werden. Das bedeutet, es ist möglich, ein erfasstes Signal zu erhalten, das in der Produktionsvariation der Gassensorelemente präzise korrigiert ist.
Das Erhalten von Information über den Widerstandswert des Kompensationswiderstands sollte vorzugsweise vor der Aktivierung des Festelektrolytsubstrats erfolgen. Das bedeutet, dass derartiges Erhalten sollte unter einer Raumtemperaturbedingung erfolgen. Im nicht aktivierten Zustand zeigt das Festelektrolytsubstrat keine Sauerstoffionenleitfähigkeit, was bedeutet, dass es einen hohen Widerstandswert aufweist. Daher wird, wenn das Erhalten des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands im nicht aktivierten Zustand des Festelektrolytsubstrats erfolgt, Information über eine Änderung des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands ohne Beeinträchtigung durch den Widerstandswert des Festelektrolytsubstrats präzise erzielt.
In der ersten Ausführungsform könnte der Widerstandswert des Kompensationswiderstands niedriger als ein Widerstandswert sein, der von dem Festelektrolytsubstrat unter einer Raumtemperaturbedingung gezeigt ist, und könnte ein Wert sein, der mehr als das Zehnfache eines Widerstandswerts beträgt, der von dem Festelektrolytsubstrat unter einer Temperaturbedingung von 800 °C gezeigt ist. Mit diesen Merkmalen, wenn die Zelle und der Kompensationswiderstand einer Spannungszuführung unter einer Raumtemperaturbedingung ausgesetzt sind, lässt nur der Kompensationswiderstand einen Stromfluss dort hindurch zu, da das Festelektrolytsubstrat einen hohen Widerstand (d.h., Nichtleitungsfähigkeit) gegen den Stromfluss unter einer derartigen Raumtemperaturbedingung zeigt, und daher ist Information über den Widerstandswert des Kompensationswiderstands präzise erzielt. Ferner, wenn die Zelle und der Kompensationswiderstand einer Spannungszuführung unter einer Temperaturbedingung von 800 °C ausgesetzt sind, lässt nur das Festelektrolytsubstrat einen Stromfluss dort hindurch zu, da der Kompensationswiderstand einen sehr hohen Widerstand im Vergleich zu dem Festelektrolytsubstrat unter einer derartigen hohen Temperaturbedingung zeigt, und daher kann die Zelle mit einem gewünschten Strombetrag gespeist werden, ohne durch den Kompensationswiderstand beeinträchtigt zu sein. Unter einer derartigen hohen Temperaturbedingung ist der Widerstandswert der Zelle im Vergleich mit dem des Kompensationswiderstands ziemlich klein, und daher beeinflusst der Kompensationswiderstand, der parallel an die Zelle angeschlossen ist, den Betrieb der Zelle im Wesentlichen nicht.
In der ersten Ausführungsform könnte die Zelle eine sauerstofferzeugende Zelle sein, wenn ein Konstantstromfluss (oder Dauerstromfluss) durch die Zelle eingeprägt wird. In diesem Fall ist der Widerstandswert aufgrund des Fließens des Konstantstroms durch die sauerstofferzeugende Zelle leicht durch Leiten des Konstantstroms durch den Kompensationswiderstand erzielbar.
In der ersten Ausführungsform kann der Kompensationswiderstand mit einer Schutzschicht zum Schützen des Kompensationswiderstands vor umgebendem Gas bedeckt sein. Aufgrund der Bereitstellung einer derartigen Schutzschicht, ist unerwünschter Kontakt zwischen dem Kompensationswiderstand und dem umgebenden Gas vollständig abgeblockt. Mit einer derartigen Schutzschicht ist der Kompensationswiderstand vor Beeinflussung durch die Temperatur des Gases geschützt, wodurch die Wirkung des Erfassens des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands verbessert ist.
In der ersten Ausführungsform kann der Kompensationswiderstand zum Aufweisen eines anpassbaren Widerstandswerts, der die Korrekturinformation wiedergibt, getrimmt sein. Die Anwendung des Trimmens zum Anpassen des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands bewirkt eine Leichtigkeit, mit der eine Feinanpassung des Widerstandswerts durchgeführt ist.
In einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor bereitgestellt, der das Gassensorelement der ersten Ausführungsform und ein Gehäuse umfasst, welches das Gassensorelement darin hält. Wenn ein derartiger Gassensor zum Erfassen der Konzentration eines bestimmten Gases in einer gasförmigen Umgebung benutzt ist, ist es möglich, ein Informationssignal zu erhalten, das für Produktionsvariationen des Gassensorelements präzise kompensiert ist.
In einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensorkontrollsystem, das einen Gassensor der zweiten Ausführungsform umfasst, und eine Kontrolleinheit bereitgestellt, die elektrisch an den Gassensor angeschlossen und beabstandet zu dem Gassensor vorgesehen ist, wobei die Kontrolleinheit ein erstes Verarbeitungsmittel, das ein erstes Informationssignal vorsieht, welches einen Widerstandswert des Kompensationswiderstands wiedergibt, ein zweites Verarbeitungsmittel, das ein zweites Informationssignal vorsieht, welches die Konzentration des bestimmten Gases wiedergibt, und ein drittes Verarbeitungsmittel umfasst, das die Korrekturinformation gemäß dem ersten Informationssignal berechnet und das zweite Informationssignal gemäß der berechneten Korrekturinformation korrigiert. Wenn diese Art Kontrollsystem in der Praxis benutzt ist, ist es möglich, ein Informationssignal zu erhalten, das für Produktionsvariationen des Gassensorelements präzise kompensiert ist.
Figurenliste
Andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen offensichtlich.
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht eines Gassensors (d.h., Sauerstoffsensors) gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Perspektivansicht eines Gassensorelements, das in dem Gassensor gemäß der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
3 eine auseinandergezogene Perspektivansicht des Gassensorelements von 2;
4 eine vergrößerte Darstellung zur Erläuterung eines Trimmens, das auf einen Kompensationswiderstand angewendet wird;
5 ein Blockdiagramm eines Kontrollsystems, das in der vorliegenden Erfindung praktisch eingesetzt ist;
6 ein Ablaufdiagramm, das programmierte Betriebsschritte zeigt, die in dem Kontrollsystem ausgeführt werden; und
7 eine vergrößerte Darstellung zur Erläuterung eines anderen Trimmens, das auf einen Kompensationswiderstand ausgeführt ist.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung detailliert unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben.
Unter Bezugnahme auf 1 bis 4 ist ein Gassensor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung gezeigt. Tatsächlich ist der Gassensor 1 von einer Art, die Sauerstoffkonzentration wahrnimmt.
Es ist zu beachten, dass in 1, 2 und 4 eine axiale Richtung „O“ des Gassensors 1 durch eine vertikale Richtung dargestellt ist und in 3 die axiale Richtung „O“ durch eine horizontale Richtung dargestellt ist. In 1 und 2 ist die axiale Richtung „O“ durch eine Strichpunktlinie dargestellt, und in 3 und 4 ist die axiale Richtung „O“ durch einen Pfeil dargestellt. In 1, 2 und 4 ist ein vorderer Abschnitt des Gassensors 1 an einem unteren Teil gezeigt, und in 3 ist der vordere Abschnitt des Gassensors 1 auf der rechten Seite angeordnet. Dadurch ist ein Endabschnitt des Gassensors 1 auf einer Seite angeordnet, die der oben angegebenen Seite in jeder Figur gegenüberliegt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist der gezeigte Gassensor 1 ein Sauerstoffsensor, genauer ein Ganzbereichs-Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor, der in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs installiert ist, um Sauerstoff in einem von einem Verbrennungsmotor ausgestoßenen Abgas, welcher an dem Kraftfahrzeug angebracht ist, zu erfassen, insbesondere zum Ausgeben von Information zum Erhalten eines Luft/Kraftstoff-Verhältnisses des Abgases.
Wie gezeigt, ist in dem Sauerstoffsensor 1 ein Sensorelement 10 eingebaut, das ein Informationssignal ausgibt, welches eine Sauerstoffkonzentration in dem Abgas darstellt. Wie im Folgenden detailliert beschrieben, wird das erfasste Informationssignal durch eine nachfolgend angegebene Sensorkontrolleinheit 250 zum Bereitstellen von Information über das Luft/Kraftstoff-Verhältnis des Abgases verarbeitet. Die Information über das Gas/Kraftstoff-Verhältnis wird durch eine nachfolgend angegebene elektronische Kontrolleinheit (ECU) 280 zum praktischen Durchführen einer Feedback-Kontrolle des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses am Verbrennungsmotor verarbeitet.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, umfasst das Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 ein gestrecktes, plattenförmiges Erfassungselement 2 und einen gestreckten, plattenförmigen Heizer 3, die aufeinander gelegt sind und in die axiale Richtung „O“ verlaufen. Es ist zu beachten, dass eine horizontale Richtung in 1 einer Richtung der Dicke des Elements 2 und Heizers 3 entspricht und eine Richtung, die senkrecht zur horizontalen Richtung verläuft, einer Richtung der Breite des Elements 2 und Heizers 3 entspricht.
In der folgenden Beschreibung wird das Sensorelement 10 als Einheit erläutert, die das Erfassungselement 2 wie auch den Heizer 3 enthält. Das Sensorelement 10 könnte jedoch auf Wunsch nur durch das Erfassungselement 2 gebaut sein.
Wie in 1 gezeigt, ist das Sensorelement 10 eng durch eine Metallkappe 40 über eine nachfolgend angegebene Isolier- und Festziehstruktur gehalten und die Metallkappe 40 eng durch eine zylindrische Haupthalterung 50 gehalten. Obgleich nicht in der Zeichnung gezeigt, ist die zylindrische Haupthalterung 50 an ein Auspuffrohr angeschlossen, das vom Verbrennungsmotor her verläuft. Der detaillierte Bau des Sensorelements 10 wird im Folgenden beschrieben.
Wie aus 1 und 2 ersichtlich, ist an einem vorderen Endbereich 11 des Sensorelements 10 ein Erfassungsbereich 14 vorgesehen, der tatsächlich die Sauerstoffkonzentration erfasst. Ein Hauptbereich 13 des Sensorelements 10, der vom Erfassungsbereich 14 nach hinten verläuft, ist eng in der zylindrischen Haupthalterung 50 eingepasst, wie in 1 gezeigt.
Wie aus 1 ersichtlich, ist ein vorderes Teil des Hauptbereichs 13 durch die Metallkappe 40 über die Isolier- und Festziehstruktur gehalten. D.h., die Metallkappe 40 ist ein Halteglied zum engen Halten des Sensorelements 10 in der zylindrischen Haupthalterung 50. Wie gezeigt, verläuft aus einer Vorderöffnung 25 der Metallkappe 40 der vordere Endbereich 11 des Sensorelements 10. Ein vorderer Endbereich 23 der Metallkappe 40, der die Vorderöffnung 25 definiert, ist abgeschrägt, wie gezeigt.
Innerhalb der Metallkappe 40 sind koaxial ein Keramikring 21 aus Aluminiumoxid und ein Talkring 22 aus komprimiertem Talkpulver angebracht. Wie gezeigt, weisen diese Ringe 21 und 22 koaxiale Bohrungen auf, die das Sensorelement 10 durchsetzt. Der Talkring 22 ist in der Metallkappe 40 eng eingepasst und innig komprimiert, um dadurch eine gesicherte Positionierung des Sensorelements 10 bezüglich der Metallkappe 40 zu erzielen.
Wie in 1 gezeigt, ist das Sensorelement 10 mit der damit verbundenen Metallkappe 40 eng durch die zylindrische Haupthalterung 50 gehalten.
Wie obenstehend beschrieben, ist die zylindrische Haupthalterung 50 ein Glied zum engen Verbinden des Sauerstoffsensors 1 mit einem Auspuffrohr, das von einem Verbrennungsmotor her verläuft. Aus diesem Grund ist die zylindrische Haupthalterung 50 an einem vorderen Abschnitt davon mit einem Außengewinde 51 ausgebildet, dass mit einem Innengewinde (nicht gezeigt) in Eingriff zu bringen ist, welches von dem Auspuffrohr aus dem Verbrennungsmotor vorgesehen ist. Der vordere Abschnitt der Halterung 50 ist ferner an einem Vorderende davon mit einem Vordereingriffsteil 56 ausgebildet, an dem eine nachfolgend angegebene Schutzeinheit 8 befestigt ist.
Wie in 1 gezeigt, ist die zylindrische Haupthalterung 50 an und um einen mittleren Abschnitt davon mit einem Polygonalvorsprung (d.h., polygonalen ringförmigen Vorsprung) 52 ausgebildet, der mit einem Handhabungswerkzeug (nicht gezeigt) in Eingriff bringbar ist. Das bedeutet, dass der Sauerstoffsensor 1 durch Drehen um die Achse „O“ mithilfe des Handhabungswerkzeugs, das mit dem Polygonalvorsprung 52 in Eingriff steht, an dem Auspuffrohr befestigbar ist.
Zwischen einem vorderen Ende des Polygonalvorsprungs 52 und einem hinteren Ende des Außengewindes 51 ist eine ringförmige Dichtung 55 angeordnet, die eine Abdichtung des Eingriffs zwischen dem Außengewinde 51 der zylindrischen Haupthalterung 50 und dem Innengewinde erzielt, das durch das Auspuffrohr vorgesehen ist.
Wie gezeigt, ist der Polygonalvorsprung 52 an einem hinteren Teil davon ferner mit einem hinteren Eingriffsbereich 57, der mit einem nachstehend angegebenen äußeren Zylindergehäuse 65 in Eingriff steht, sowie einem Krimpabschnitt 53 ausgebildet, der zum engen Halten des Sensorelements 10 in der zylindrischen Haupthalterung 50 gekrimpt ist. Es ist daher zu beachten, dass die Halterung 50 als Gehäuse dient.
Wie in 1 gezeigt, ist die zylindrische Innenfläche der Halterung 50 in der Nähe des Außengewindes 51 mit einem abgeschrägten Bereich 54 ausgebildet, an dem der vordere Endbereich 23 der Metallkappe 40 in Eingriff gebracht und daran gedrückt ist.
Innerhalb der Halterung 50 ist ein weiterer Talkring 26 eng angeordnet, der mit dem dort hindurch geführten Sensorelement 10 in die Metallkappe 40 vom hinteren offenen Ende der Metallkappe 40 eingelegt ist. Zudem ist innerhalb der Halterung 50 eine zylindrische Hülse 27 derart eng angeordnet, dass sie den Talkring 26 von der Rückseite drückt. Die zylindrische Hülse 27 ist an einem hinteren Abschnitt davon mit einem Schulterbereich 28 ausgebildet. Zwischen dem Schulterbereich 28 und dem oben angegebenen Krimpabschnitt 53 der Halterung 50 ist eine ringförmige Krimpdichtpackung 29 eng angeordnet. Das heißt, dass durch Ausführen des Krimpens auf den Abschnitt 53 die zylindrische Hülse 27 zu dem Talkring 26 hin gepresst ist und den Talkring 26 presst. Mit einer derartigen Kompressionskraft ist der Talkring 26 zum Herstellen einer feinen und intensiven Abdichtung aus Talkpulver in die Halterung 50 eingedrückt. Bei somit eingedrücktem Talkring 26 und dem vorher eingesetzten Talkring 22 sind die Metallkappe 40 sowie das Sensorelement 10 hermetisch in der zylindrischen Haupthalterung 50 gehalten.
Wie in 1 gezeigt, ist das Vordereingriffsteil 56 der Halterung 50 zylindrisch geformt und weist eine zylindrische Schutzeinheit 8 auf, die daran befestigt ist. Die Schutzeinheit 8 umgibt den vorderen Endbereich 11 des Sensorelements 10 zum Schützen des Endbereichs 11 vor Fremdstoffen. Das bedeutet, dass der vordere Endbereich 11 aufgrund der Bereitstellung der Schutzeinheit 8 vor Wasser geschützt ist und vor Beschädigung durch Fremdstoffe geschützt ist. Zum Befestigen der Schutzeinheit 8 an dem Vordereingriffsteil 56 kommt Punktschweißen, Laserschweißen oder dergleichen zur Anwendung. Die zylindrische Schutzeinheit 8 weist einen Doppelrohrbau auf, der eine zylindrische Innenschutzeinrichtung 90 mit Boden und eine zylindrische Außenschutzeinrichtung 80 umfasst, die die Innenschutzeinrichtung 90 unter Belassen eines zylindrischen Raums dazwischen konzentrisch umgibt.
Wie aus 1 ersichtlich, ist die Innenschutzeinrichtung 90 an einem hinteren Halbabschnitt einer zylindrischen Wand 92 davon mit mehreren Gaseinlassöffnungen 95, an einem Vorderendenabschnitt der zylindrischen Wand 92 mit mehreren Wasserabflussöffnungen 96 und an einem Vorderende davon (d.h., einer Bodenwand 93) mit einer Gasauslassöffnung 97 ausgebildet. Ein hinteres offenes Ende 91 der Innenschutzeinrichtung 90 ist im Durchmesser vergrößert und eng an dem Vordereingriffsteil 56 der zylindrischen Haupthalterung 50 angeordnet.
Wie gezeigt, ist die zylindrische Außenschutzeinrichtung 80 an einer zylindrischen Wand 82 davon mit mehreren Gaseinlassöffnungen 85 ausgebildet. Ein hinteres offenes Ende 81 der Außenschutzeinrichtung 80 ist im Durchmesser vergrößert und eng an dem hinteren offenen Ende 91 der Innenschutzeinrichtung 90 angeordnet. Zum Befestigen der hinteren offenen Enden 81 und 91 der zwei Schutzeinrichtungen 80 und 90 an dem Vordereingriffsteil 56 der Halterung 50 kommt Laseschweißen zur Anwendung, das praktisch um das hintere offene Ende 81 der Außenschutzeinrichtung 80 ausgeführt wird. Wie gezeigt, ist ein vorderer Endabschnitt 83 der Außenschutzeinrichtung 80 zum Kontakt mit dem vorderen Endabschnitt der Innenschutzeinrichtung 90 abgeschrägt. Bei einem derartigen Kontakt ist der zylindrische Raum, der zwischen den zwei zylindrischen Schutzeinrichtungen 80 und 90 definiert ist, unter Ausnahme der Öffnungen 85, 95 und 96 geschlossen.
Wie in 1 gezeigt, steht ein hinterer Endabschnitt des Hauptbereichs 13 des Sensorelements 10 von dem hinteren Ende der zylindrischen Haupthalterung 50 nach hinten vor.
Wie aus 1, 2 und 3 ersichtlich, sind an dem Hauptbereich 13 des Sensorelements 10 fünf Elektrodenflächen 231, 232, 233, 234 und 235 vorgesehen, die aus Platin (Pt) hergestellt sind.
Wie aus 1 hervorgeht, stehen die fünf Elektrodenflächen 231 bis 235 im praktischen Gebrauch zur Stromversorgung des Erfassungselements 2 und des Heizers 3 jeweils mit fünf Verbindungsstiften 61 in Kontakt. Wie gezeigt, weist jeder Verbindungsstift 61 ein zurückgebogenes Vorderteil auf. Das hintere Endteil des Hauptbereichs 13 des Sensorelements 10 ist mit einem zylindrischen Abstandsstück 60 ausgerüstet, das aus isolierender Keramik gebaut ist. Das zylindrische Abstandsstück 60 weist darin fünf Verbindungsstifte 61 auf, die jeweils mit den zurückgebogenen Vorderteilen der Elektrodenflächen 231 bis 235 in Kontakt stehen.
Das zylindrische Abstandsstück 60 umfasst ein vorderes Abstandsteil 63 und ein hinteres Abstandsteil 64. Ein kreisförmiges Vorderende des hinteren Abstandsteils 64 ist eng in eine kreisförmige Aussparung (kein Bezugszeichen) eingelegt, die durch eine ringförmige Wulst 62 definiert ist, welche an einem hinteren Ende des vorderen Abstandsteils 63 ausgebildet ist. Innerhalb des vorderen Abstandsteils 63 sind fünf Elektrodenflächen 231 bis 235 und die fünf Verbindungsstifte 61 derart angeordnet, dass jede Elektrodenfläche 231, 232, 233, 234 oder 235 mit dem zurückgebogenen Vorderteil eines entsprechenden der fünf Verbindungsstifte 61 in Kontakt steht. Natürlich ist unterbunden, dass jedes kontaktierende Paar, das eine Elektrodenfläche und einen entsprechenden Verbindungsstift 61 enthält, mit einem benachbarten kontaktierenden Paar in Kontakt kommt.
Innerhalb des hinteren Abstandsteils 64 sind Kabelgreiferabschnitte der fünf entsprechenden Verbindungsstifte 61 eingerichtet, von denen fünf Kabel 69 eng gegriffen sind. Wie aus 5 ersichtlich, verlaufen die fünf Kabel 69 zur Sensorkontrolleinheit 250.
Unter erneuter Bezugnahme auf 1 ist das äußere zylindrische Gehäuse 65 aus Edelstahl (beispielsweise SUS 304 der japanischen Industrienorm) gebaut. Wie gezeigt, ist das äußere zylindrische Gehäuse 65 am hinteren Endabschnitt der zylindrischen Haupthalterung 50 befestigt und deckt den freiliegenden Hauptbereich 13 des Sensorelements 10 und das Abstandsstück 60 ab. Das heißt, ein offenes Vorderende 66 des äußeren zylindrischen Gehäuses 65 ist eng auf den hinteren Eingriffsbereich 57 der zylindrischen Haupthalterung 50 gelegt. Zum Erzielen einer gesicherten Verbindung zwischen dem offenen Vorderende 66 und dem hinteren Eingriffsbereich 57 ist das offene Vorderende 66 gekrimpt und eine Laserschweißung auf und um das offene Vorderende 66 ausgeführt.
Zwischen dem äußeren zylindrischen Gehäuse 65 und dem vorderen Abstandsteil 63 ist ein ringförmiger elastischer Halter 70 angeordnet, der aus einem dünnen Metall gebaut ist. Der ringförmige elastische Halter 70 weist einen Hinterabschnitt 71 auf, der einwärts gebogen ist. Wie gezeigt, ist nach dem Einsetzen des Halters 70 der einwärts gebogene Hinterabschnitt 71 an eine Rückseite der ringförmigen Wulst 62 des vorderen Abstandsteils 63 gedrückt, um das vordere Abstandsteil 63 dadurch in dem äußeren zylindrischen Gehäuse 65 elastisch zu stützen. Zum Sicherstellen des Einsetzens des Halters 70 ist ein mittlerer Abschnitt des zylindrischen Gehäuses 65, das mit dem Halter 70 in Kontakt steht, gekrimpt, wie gezeigt. Daher ist das vordere Abstandsteil 63 sicher und elastisch über den Halter 70 in dem äußeren zylindrischen Gehäuse 65 gehalten.
Innerhalb einer Öffnung, die in einem hinteren Ende des äußeren zylindrischen Gehäuses 65 ausgebildet ist, ist eine Kabeldurchführung 75 aus Fluorkohlenstoffkautschuk eng eingesetzt. Die Kabeldurchführung 75 ist mit fünf Öffnungen 76 ausgebildet, durch die die fünf Kabel 69 vom hinteren Abstandsteil 64 luftdicht laufen, wie gezeigt. Zum Sicherstellen des Einsetzens der Kabelführung 75 ist das hintere Ende des Gehäuses 65, das mit der Kabeldurchführung 75 in Kontakt steht, gekrimpt, wie gezeigt. Damit ist die Kabeldurchführung 75 durch das hintere offene Ende des Gehäuses 65 eng gehalten.
Im Folgenden richtet sich die Beschreibung anhand von 2 und 3 auf das Sensorelement 10.
Zunächst wird der Entwurf des Sensorelements 10 beschrieben.
Wie aus 2 ersichtlich, umfasst das Sensorelement 10 das gestreckte, plattenförmige Erfassungselement 2 und den gestreckten, plattenförmigen Heizer 3, die aufeinander gelegt sind und in der axialen Richtung „O“ verlaufen. Insbesondere sind diese zwei flachen Glieder 2 und 3 in der Richtung ihrer Stärke aufeinander gelegt.
Wie aus 2 und 3 ersichtlich, weist der Erfassungsbereich 14, der auf dem vorderen Endbereich 11 des Sensorelements 10 vorgesehen ist, als ein Hauptelement, eine Gaserfassungskammer 132 (siehe 3) auf, die in dem gestreckten, plattenförmigen Erfassungselement 2 ausgebildet ist. Im Betrieb wird das Abgas aus dem Motor in die Gaserfassungskammer 132 geführt und einer Sauerstoffkonzentrationsmessung unterzogen. Wie aus 1 und 2 ersichtlich, verläuft um den vorderen Endbereich des Sensorelements 10, der den Erfassungsbereich 14 enthält, eine poröse Schutzschicht 9.
Wie aus 2 ersichtlich, sind auf einem oberen Teil einer äußeren flachen Oberfläche 16 des gestreckten, plattenförmigen Erfassungselements 2 die drei Elektrodenflächen 231, 232 und 233 angeordnet, die mit drei der fünf Verbindungsstifte 61 in Kontakt stehen. Es ist zu beachten, dass die drei Verbindungsstifte 61 in 1 in einer linken Seite des Sensorelements 10 gezeigt sind.
Wie aus 3 hervorgeht, sind auf einem oberen Teil einer äußeren flachen Oberfläche des gestreckten, plattenförmigen Heizers 3 die zwei Elektrodenflächen 234 und 235 angeordnet, die mit zwei der fünf Verbindungsstifte 61 in Kontakt stehen. Es ist zu beachten, dass die zwei Verbindungsstifte 61 in 1 in einer rechten Seite des Sensorelements 10 gezeigt sind.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 ist auf der äußeren flachen Oberfläche 16 des gestreckten, plattenförmigen Erfassungselements 2 ein Kompensationswiderstand 220 gedruckt, der aus einem Material wie etwa Rutheniumtetroxid oder dergleichen gebaut ist, das einen relativ niedrigen Widerstandstemperaturkoeffizienten aufweist. Zum Drucken kommt eine sogenannte Musterdrucktechnik zur Anwendung. Zwei Elektrodenanschlüsse 236 und 237, die an gegenüberliegende Enden des Kompensationswiderstands 220 angeschlossen sind, sind an die oben genannten Elektrodenflächen 232 und 233 angeschlossen.
Der Kompensationswiderstand 220 ist mit einer Schutzschicht 224 ausgelegt oder abgedeckt, die aus Keramik, Glas oder dergleichen gebaut ist. Mit einer derartigen Schutzschicht 224 ist der Kompensationswiderstand 220 vor umgebenden Gasen geschützt. Es ist zu beachten, dass aufgrund der Bereitstellung der Schutzschicht 224 unerwünschter Kontakt zwischen dem Kompensationswiderstand 220 und den umgebenden Gasen sicher verhindert ist, und daher unterbunden ist, dass der Widerstand 220 eine wesentliche Einwirkung der Gase, insbesondere ihrer Temperatur, erfährt. Daher ist der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220, wie im Fogenden detailliert beschrieben, mit viel höherer Genauigkeit erhältlich.
Zweitens wird im Folgenden anhand von 3 das Detail des Sensorelements 10 beschrieben.
Wie aus 3 ersichtlich, umfasst das Sensorelement 10 das gestreckte, plattenförmige Erfassungselement 2 und den gestreckten, plattenförmigen Heizer 3, die aufeinander gelegt sind und in der axialen Richtung „O“ verlaufen.
Das Erfassungselement 2 umfasst ein Isoliersubstrat 110, das nahezu ausschließlich aus Aluminiumoxid gebildet ist, ein Festelektrolytsubstrat 120, das nahezu ausschließlich aus Zirkonoxid (engl. Zirconia) gebildet ist, ein Isoliersubstrat 130, das nahezu ausschließlich aus Aluminiumoxid gebildet ist, und ein Festelektrolytsubstrat 140, das nahezu ausschließlich aus Zirkondioxid gebildet ist, welche in Reihenfolge, d.h. wie dargestellt, aufeinander gelegt sind.
Das Festelektrolytsubstrat 120 weist auf seinen beiden Oberflächen stromführende Muster 170 bzw. 180 auf. Gleicherweise weist das Festelektrolytsubstrat 140 auf seinen beiden Oberflächen stromführende Muster 190 bzw. 200 auf. Jedes stromführende Muster 170, 180, 190 oder 200 ist aus Platin gebaut.
Wie in 3 gezeigt, umfasst das auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 120 bereitgestellte stromführende Muster 170 ein Anschlussteil 173, das sich von der Vorderseite des Festelektrolytsubstrats 120 zur Rückseite desselben erstreckt, und das stromführende Muster 170 hat ein vergrößertes Elektrodenteil 171 an der Vorderseite des Substrats 120. Das Isoliersubstrat 110 ist, wie gezeigt, auf die obere Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 120, mit dem stromführenden Muster 170 innig dazwischen gelegt, aufgelegt. Das Isoliersubstrat 110 hat an einem hinteren Endabschnitt davon, der einen hinteren Endabschnitt 172 des stromführenden Musters 170 gegenübersteht, ein Durchgangsloch 113.
Wie in 3 gezeigt, ist am hinteren Endflächenabschnitt des Isoliersubstrats 110 an der Position des Durchgangslochs 113 die oben angegebene Elektrodenfläche 231 vorgesehen. Diese Elektrodenfläche 231 ist über ein leitendes Element, das in dem Durchgangsloch 113 vorgesehen ist, elektrisch an den hinteren Endabschnitt 172 des stromführenden Musters 170 angeschlossen.
Wie gezeigt, ist am vorderen Endabschnitt des Isoliersubstrats 110 an der Position, die dem vergrößerten Elektrodenteil 171 zugekehrt ist, eine rechteckige Öffnung 111 vorgesehen. In der rechteckigen Öffnung 111 ist eine poröse Schicht 112 aufgenommen, die nahezu ausschließlich aus Aluminiumoxid gebildet ist. Daher liegt das vergrößerte Elektrodenteil 171 des stromführenden Musters 170 über die poröse Schicht 172 für die gasförmige Umgebung frei.
Wie in 3 gezeigt, umfasst das stromführende Muster 180, das auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 120 vorgesehen ist, ein Anschlussteil 183, das von der Vorderseite des Festelektrolytsubstrats 120 zur Rückseite desselben verläuft, und wie das oben genannte stromführende Muster 170 weist das stromführende Muster 180 ein vergrößertes Elektrodenteil 181 an der Vorderseite des Substrats 120 auf. Das vergrößerte Elektrodenteil 181 und das oben genannte vergrößerte Elektrodenteil 171 befinden sich an gegenüberliegenden Positionen bezüglich des Festelektrolytsubstrats 120.
Die Elektrodenteile 171 und 181 mit dem eng dazwischen eingelegten Festelektrolytsubstrat 120 bilden daher eine Sauerstoffpumpzelle (IP-Zelle) 240, die einen Sauerstoffpumpvorgang ausführt.
Das Isoliersubstrat 110 und das Festelektrolytsubstrat 120 weisen an ihren hinteren Endabschnitten an Positionen, die einem hinteren Endabschnitt 182 des stromführenden Musters 180 entsprechen, jeweilige Durchgangslöcher 114 und 124 auf.
Wie in 3 gezeigt, ist am hinteren Endflächenabschnitt des Isoliersubstrats 110 an der Position des Durchgangslochs 114 die oben genannte Elektrodenfläche 232 vorgesehen. Die Elektrodenfläche 232 befindet sich neben der oben genannten Elektrodenfläche 231 unter Beibehaltung einer parallelen Ausrichtung bezüglich der axialen Richtung „O“ des Sensorelements 10. Die Elektrodenfläche 232 ist über ein leitendes Element, das in dem Durchgangsloch 114 vorgesehen ist, und ein weiteres leitendes Element, das in dem Durchgangsloch 124 vorgesehen ist, elektrisch an den hinteren Endabschnitt 182 des stromführenden Musters 180 angeschlossen.
Wie aus 3 ersichtlich, ist das andere Isoliersubstrat 130 auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 120 mit dem stromführenden Muster 180 eng dazwischen eingelegt.
Am vorderen Endabschnitt des Isoliersubstrats 130 an der Position, die dem vergrößerten Elektrodenteil 181 zugekehrt ist, ist eine rechteckige Öffnung 131 ausgebildet. Die rechteckige Öffnung 131 ist durch die zwei Festelektrolytsubstrate 120 und 140 geschlossen, die auf die obere bzw. untere Oberfläche des Isoliersubstrats 130 gelegt sind. Mit diesem Verschluss dient die rechteckige Öffnung 131 als die Gaserfassungskammer 132.
Das vergrößerte Elektrodenteil 181 des stromführenden Musters 180 liegt zur Gaserfassungskammer 132 frei.
Wie aus 2 hervorgeht, bildet die Gaserfassungskammer 132 ein Hauptteil des Sauerstofferfassungsbereichs 14 zum Erfassen (oder Messen) der Sauerstoffkonzentration in dem Abgas.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 ist die rechteckige Öffnung 131 des Isoliersubstrats 130 an den Seiten davon jeweils mit Diffusionsratenbestimmungsabschnitten 133 versehen. Jeder Diffusionsratenbestimmungsabschnitt 133 ist aus einem porösen Aluminiumoxidkörper gebildet. Daher ist es dem umgebenden Abgas ermöglicht, über die Diffusionsratenbestimmungsabschnitte 133 in die Gaserfassungskammer 132 einzutreten.
Das Festelektrolytsubstrat 140 ist auf die unteren Oberfläche des Isoliersubstrats 130 gelegt. Auf der oberen Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 140 ist das stromführende Muster 190 vorgesehen, das wie das oben genannte stromführende Muster 170 ein Anschlussteil 193 umfasst, welches von der Vorderseite des Substrats 140 zur Rückseite desselben verläuft, und das stromführende Muster 190 weist ein vergrößertes Elektrodenteil 191 an der Vorderseite des Substrats 140 auf. Das vergrößerte Elektrodenteil 191 liegt ebenfalls zur Gaserfassungskammer 132 frei.
Wie aus 3 ersichtlich, weist das Isoliersubstrat 130 an seinem hinteren Endabschnitt, der einem hinteren Endabschnitt 192 des Anschlussteils 193 des stromführenden Musters 190 zugekehrt ist, ein Durchgangsloch 134 auf. Die Position, an der das Durchgangsloch 134 vorgesehen ist, ist dem hinteren Endabschnitt 182 des oben genannten stromführenden Musters 180 zugekehrt, wie gezeigt. Der hintere Endabschnitt 182 des Anschlussteils 183 des stromführenden Musters 180 und der hintere Endabschnitt 192 des Anschlussteils 193 des anderen stromführenden Musters 190 sind über ein leitendes Element, das in dem Durchgangsloch 134 vorgesehen ist, elektrisch verbunden. Das bedeutet, dass das stromführende Muster 180, das andere stromführende Muster 190 und die Elektrodenfläche 232 elektrisch verbunden sind.
Auf der unteren Oberfläche des Festelektrolytsubstrats 140 ist ein stromführendes Muster 200 vorgesehen, das ein Paar mit dem oben genannten Muster 190 bildet. Wie das Muster 190 umfasst das stromführende Muster 200 ein Anschlussteil 203, das von der Vorderseite des Festelektrolytsubstrats 140 zur Rückseite desselben verläuft, und das Muster 200 weist ein vergrößertes Elektrodenteil 201 an der Vorderseite des Substrats 140 auf. Wie gezeigt, befindet sich das vergrößerte Elektrodenteil 201 an einer Position, die der Position des vergrößerten Elektrodenteils 191 des Musters 190 bezüglich des Substrats 140 gegenüberliegt. Die zwei Elektrodenteile 191 und 201 und das Festelektrolytsubstrat 140 bilden eine sogenannte sauerstofferzeugende Zelle „VS-Zelle“ 245 (siehe 5), die Sauerstoff erzeugt.
Wie gezeigt, ist am hinteren Endabschnitt der oberen Oberfläche des Isoliersubstrats 110 die Elektrodenfläche 233 vorgesehen, die parallel zu den benachbarten Flächen 231 und 232 angeordnet ist.
Ein hinteres Ende 202 des Anschlussteils 203 des stromführenden Musters 200 übernimmt eine mit der Elektrodenfläche 233 zusammenpassende Position, wie gezeigt. Zwischen dem hinteren Ende 202 des stromführenden Musters 200 und der Elektrodenfläche 233 sind jeweils hintere Endabschnitte des Festelektrolytsubstrats 140, Isoliersubstrats 130, Festelektrolytsubstrats 120 und Isoliersubstrats 110 in SandwichBauweise eingelegt, die jeweilige ausgerichtete Durchgangslöcher 145, 135, 125 und 115 aufweisen. Das hintere Ende 202 des stromführenden Musters 200 und die Elektrodenfläche 233 sind über leitende Elemente, die in den Durchgangslöchern 145, 135, 125 und 115 vorgesehen sind, elektrisch verbunden.
Wie aus 3 ersichtlich, ist auf der oberen hinteren Oberfläche des Isoliersubstrats 110 an einer Position in der Nähe eines Mittelabschnitts des Substrats 110 der Kompensationswiderstand 220 vorgesehen. Die Position dieses Widerstands 220 geht deutlich aus 2 hervor. Der Kompensationswiderstand 220 verläuft in der axialen Richtung „O“ des Isoliersubstrats 110. Wie in 2 gezeigt, sind die oben genannten Elektrodenanschlüsse 236 und 237 an gegenüberliegenden Enden des Kompensationswiderstands 220 angeschlossen. Die Elektrodenanschlüsse 236 und 237 verlaufen axial zum hinteren Endabschnitt des Isoliersubstrats 110, um die Elektrodenflächen 232 bzw. 233 zu verbinden. Die obere Oberfläche des Isoliersubstrats 110 ist mit einer Schutzschicht 224 versehen, die den Kompensationswiderstand 220 abdeckt.
Im Folgenden wird anhand der Zeichnungen, insbesondere 3, der detaillierte Bau des Heizers 3 beschrieben.
Wie aus 3 ersichtlich, umfasst der Heizer 3 einen wärmeerzeugenden Widerstand 210 aus Platin, der eng zwischen zwei Isoliersubstrate 150 und 160 eingelegt ist, die nahezu ausschließlich aus Aluminiumoxid gebildet sind. Der wärmeerzeugende Widerstand 210 ist aus einem stromführenden Muster, das gegenüberliegende Enden aufweist. Der wärmeerzeugende Widerstand 210 umfasst ein wärmeerzeugendes Hauptteil 211, das einen verminderten Querschnitt zur wirksamen Wärmeerzeugung aufweist und am vorderen Endbereich 11 des Sensorelements 10 angeordnet ist (siehe 2).
Wie aus 3 ersichtlich, weisen zwei Anschlussabschnitte 213, die jeder einen größeren Querschnitt als das Hauptteil 211 aufweisen, von dem wärmeerzeugenden Hauptteil 211. Die zwei Anschlussabschnitte 213 verlaufen in der axialen Richtung zu den hinteren Enden der Isoliersubstrate 150 und 160 hin.
Wie in 3 gezeigt, sind auf einem rechten Endabschnitt einer unteren Oberfläche des Isoliersubstrats 160 die Elektrodenflächen 234 und 235 vorgesehen, die nebeneinander bezüglich der axialen Richtung „O“ angeordnet sind. Wie aus 2 ersichtlich, sind diese zwei Elektrodenflächen 234 und 235 an einer Oberfläche des Sensorelements 10 angeordnet, die der Oberfläche gegenüberliegt, auf der die drei Elektrodenflächen 231, 232 und 233 angeordnet sind.
Unter erneuter Bezugnahme auf 3 sind die zwei Elektrodenflächen 234 und 235 über leitende Elemente, die in Durchgangslöchern 164 und 165 vorgesehen sind, welche in dem Isoliersubstrat 160 ausgebildet sind, elektrisch an die hinteren Enden 212 der zwei Anschlussabschnitte 213 des wärmeerzeugenden Widerstands 210 angeschlossen. Wie gezeigt, ist der Heizer 3 eng auf das Erfassungselement 2 zum Bilden des Sensorelements 10 aufgelegt.
Wie aus 2 hervorgeht, ist der Kompensationswiderstand 220 auf der äußeren flachen Oberfläche 16 des Hauptbereichs 13 des Sensorelements 10 angeordnet.
Der Kompensationswiderstand 220 dient zum Kompensieren der Sauerstoffkonzentrationserfassungscharakteristik des Sensorelements 10. Wie bekannt, weisen die Sensorelemente 10 eine unausweichliche Charakteristik auf. Durch die Kompensation sind die Ausgaben des Sensorelements 10 jene, die bezüglich der Korrekturinformation (d.h., Korrekturfaktor „K“, wie im Folgenden angegeben), die für jedes Sensorelement 10 hergestellt ist, vorgesehen wurden.
Beide Enden des Kompensationswiderstands 220 sind jeweils an die Elektrodenanschlüsse 236 und 237 angeschlossen, die jeweils an die Elektrodenflächen 232 und 233 angeschlossen sind.
Wie obenstehend angegeben, sind die Elektrodenflächen 232 und 233 an die stromführenden Muster 190 und 200 angeschlossen. Das bedeutet, dass der Kompensationswiderstand 220 an gepaarte Stromleitungen angeschlossen ist, durch die die Stromzuführung zu den gepaarten Elektrodenteilen 191 und 201 der VS-Zelle 245 hergestellt ist, und der Kompensationswiderstand 220 parallel an die VS-Zelle 245 angeschlossen ist.
Die Elektrodenflächen 232 und 233 und der Kompensationswiderstand 220 sind direkt über die Elektrodenanschlüsse 236 und 237 verbunden. Das bedeutet, dass die Stromleitungen zum Verbinden der Elektrodenflächen 232 und 233 mit dem Kompensationswiderstand 220 nur durch die Elektrodenanschlüsse 236 bzw. 237 gebildet sind. Kurz gesagt, die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 bilden keinen Teil der Stromleitungen. Insbesondere weisen die Stromleitungen zum Kompensationswiderstand 220 keine elektrische Verbindung mit dem Festelektrolytsubstrat 120 und keine elektrische Verbindung mit Stromleitungen zu den Festelektrolytsubstraten 120 und 140 auf. Die Stromleitungen zum Kompensationswiderstand 220 und jene zu den Festelektrolytsubstraten 120 und 140 sind vollständig isoliert.
Dementsprechend wird, selbst wenn die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 einem deutlichen Widerstandswertunterschied aufgrund von Temperaturänderung oder dergleichen unterworfen sind, Information über den Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 ohne Beeinflussung durch den Widerstandswertunterschied der Festelektrolytsubstrate 120 und 140 ideal erzielt.
Das Festelektrolytsubstrat 120 oder 140 weist Isolierung auf einer niedrigen Temperatur, darunter Raumtemperatur, auf, und wenn es auf eine Arbeitstemperatur über einer Aktivierungstemperatur (zum Beispiel 600 °C) aufgeheizt ist, weist es eine Sauerstoffionenleitfähigkeit auf.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Kompensationswiderstand 220 aufgebaut, einen Widerstandswert aufzuweisen, der niedriger als ein Widerstandswert ist, welcher vom Festelektrolytsubstrat 140 der VS-Zelle 245 unter einer Raumtemperaturbedingung gezeigt ist, und weist einen Widerstandswert auf, der mehr als das Zehnfache als ein Widerstandswert beträgt, welcher vom Festelektrolytsubstrat 140 unter einer Aktivierungs- oder Arbeitstemperaturbedingung (zum Beispiel 800 °C) gezeigt ist. Der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 ist durch Ändern des Materials oder der Größe desselben variiert. Insbesondere ist bei der Erfindung zum Erzeugen des Kompensationswiderstands 220 eine bekannte Produktionstechnik auf Rutheniumtetroxid ausgeführt.
Daher ist, wenn bei Raumtemperatur eine geeignete Spannung zwischen den Elektrodenflächen 232 und 233 angelegt ist, ermöglicht, dass Strom in den Kompensationswiderstand 220 fließt. Jedoch fließt der Strom bei Raumtemperatur nicht in das Festelektrolytsubstrat 140 (oder VS-Zelle 245), da das Elektrolytsubstrat 140 bei Raumtemperatur Isolierung (d.h. Nichtleitung) aufweist. Dementsprechend kann der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 ausgelesen werden.
Wenn bei Arbeitstemperatur eine geeignete Spannung zwischen den Elektroden 232 und 233 angelegt ist, ist ermöglicht, dass Strom im Festelektrolytsubstrat 140 fließt, das eine Sauerstoffionenleitfähigkeit zeigt. Jedoch fließt der Strom in diesem Fall nicht in den Kompensationswiderstand 220, da er den deutlich hohen Widerstandswert im Vergleich zu jenem des Festelektrolytsubstrats 140 zeigt. Tatsächlich ist ermöglicht, dass ein sehr geringer Strom durch den Kompensationswiderstand 220 fließt. Daher kann die VS-Zelle 245 angetrieben oder betrieben sein. Es ist zu beachten, dass, da der Widerstandswert des Festelektrolytsubstrats 140 (d.h., der Widerstandswert der VS-Zelle 145) im Vergleich zu jenem des Kompensationswiderstands 220 ziemlich klein ist, der Kompensationswiderstand 220, der parallel an die VS-Zelle 145 angeschlossen ist, keinen Einfluss auf den Betrieb der VS-Zelle 145 hat.
Zum Wiedergeben einer Korrekturinformation im Kompensationswiderstand 220 ist es notwendig, den Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 für jedes Sensorelement 10 anzupassen.
In der vorliegenden Erfindung ist die Anpassung des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands 220 über ein bekanntes Trimmen unter Benutzung von Laser hergestellt. Das bedeutet, dass nach der Erzeugung des Sensorelements 10 ein Laser-Trimmen am Kompensationswiderstand 220 ausgeführt wird.
Eines der Verfahren für derartiges Trimmen ist in 4 dargestellt. Bei diesem Verfahren wird ein Teil des Musters des Kompensationswiderstands 220 derart durch Laser in der axialen Richtung „O“ geschnitten, dass ein Widerstandskörper, der die zwei Anschlüsse 236 und 237 verbindet, einen gestreckten Schnitt 221 aufweist. Bei diesem Verfahren erhöht sich der Widerstandswert (oder elektrische Widerstand) zwischen den Anschlüssen 236 und 237 mit der Zunahme der Länge des Schnitts 221.
Die Anpassung des Widerstandswerts für den Kompensationswiderstand 220 wird im Folgenden beschrieben.
Zunächst wird das Sensorelement 10 in einem eingeschlossenen Raum eingerichtet, in dem ein Gas mit einer vorgegebenen Sauerstoffkonzentration enthalten ist. Das Gas könnte beispielsweise atmosphärische Luft sein. Dann wird unter Fließen eines Pumpstroms „Ip“ zum Sensorelement 10 ein Signal (oder erfasstes Signal), das vom Sensorelement 10 erstellt oder ausgegeben wird, erhalten und eine Berechnung eines Korrekturfaktors ausgeführt, um zu bewirken, dass das Signal einen Ziel- oder gewünschten Wert aufweist. Dann wird hinsichtlich der Beziehung zwischen dem Korrekturfaktor und dem Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 ein Widerstandswert (d.h. Widerstandssollwert), der für den Kompensationswiderstand 220 eingestellt werden soll, gefunden oder abgeleitet.
Dann wird Schneidarbeit zum Herstellen des gestreckten Schnitts 221 ausgeführt, während überwacht wird, dass der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 den Widerstandssollwert erreicht. Mit diesen Schritten kann der Kompensationswiderstand 220 einen Widerstandssollwert aufweisen, der mit dem Sensorelement 10 konform ist, in dem der Widerstand 220 vorgesehen ist. Durch Ausführen dieser Schritte kann der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 (d.h., der Widerstandswert zwischen den Elektrodenanschlüssen 236 und 237, die an beiden Enden des Widerstands 220 angeschlossen sind) leicht beliebig angepasst werden. Natürlich wird hohe Genauigkeit erwartet. Natürlich sollte der Kompensationswiderstand 220 nach dem Trimmen unter einer Raumtemperaturbedingung einen Wert zeigen, der niedriger als ein Widerstandswert des Festelektrolytsubstrats 140 ist, und unter einer Arbeitstemperaturbedingung, beispielsweise 800 °C, sollte der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 einen Widerstandswert zeigen, der mehr als das Zehnfache des Widerstandswerts des Festelektrolytsubstrats 140 beträgt.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 und 3 ist die Schutzschicht 224 vor dem Trimmen des Widerstands 220 auf den Kompensationswiderstand 220 aufgebracht. Das bedeutet, dass die Schutzschicht 224 beim Laser- Trimmen ebenfalls aufgelöst wird und einen gestreckten Schnitt ausbildet. Mit der getrimmten Schutzschicht 224 kann eine geeignete Druckspannung auf den Kompensationswiderstand 220 ausgeübt sein. Tatsächlich ist durch eine derartige ausgeübte Druckspannung verhindert, dass der Kompensationswiderstand 220 durch eine Zugbeanspruchung reißt, die auf den Kompensationswiderstand 220 ausgeübt wäre, wenn er erwärmt ist.
Wie aus 5 ersichtlich, ist der Sauerstoffsensor 1 mit dem oben genannten Sensorelement 10 an eine Sensorkontrolleinheit 250 angeschlossen. Eine elektrische Kontrolleinheit „ECU“ 280 betreibt die Sensorkontrolleinheit 250. Das bedeutet, dass der Sauerstoffsensor 1 gemäß programmierter Betriebsschritte, die von der elektrischen Kontrolleinheit 280 ausgeführt werden, betrieben ist.
Im Folgenden wird anhand von 5 ein gesamtes Kontrollsystem 290 einschließlich des Sauerstoffsensors 1, der Sensorkontrolleinheit 250 und der elektrischen Kontrolleinheit 280 detailliert beschrieben.
Es ist zu beachten, dass eine Schnittansicht des Sensorelements 10, die in 5 gezeigt ist, eine schematische Ansicht entlang der Linie A-A von 2 ist.
Wie in 5 gezeigt, umfasst die Sensorkontrolleinheit 150 eine Pumpstromtreiberschaltung 251, eine Ausgangsspannungsschaltung 252, eine Mikro-Stromspeiseschaltung 253, eine Referenzspannungsvergleichsschaltung 254 und eine Labelwiderstandsleseschaltung 255.
Wie obenstehend angegeben, ist der Sauerstoffsensor 1 über Anschlüsse 69, die an die Elektrodenflächen 231 bis 235 des Sensorelements 10 angeschlossen sind, an die oben genannten Schaltungen der Sensorkontrolleinheit 150 angeschlossen. Zudem ist die Sensorkontrolleinheit 250 derart über eine Verbindungsschaltung (nicht gezeigt) an die elektrische Kontrolleinheit „ECU“ 280 angeschlossen, dass die Treiberbedingung der oben genannten Schaltungen durch Befehlssignale gesteuert ist, die von der elektrischen Kontrolleinheit 280 ausgegeben werden.
Die Mikro-Stromspeiseschaltung 253 dient zum Speisen der VS-Zelle 245 mit einer vorgegebenen Menge von Mikro-Strom „Icp“ in der Richtung vom Elektrodenteil 201 zum Elektrodenteil 191. Die Mikro-Stromspeiseschaltung 253 ist an die Elektrodenfläche 233 des Sensorelements 10 angeschlossen, sodass aufgrund des Fließens des Mikro-Stroms „Icp“ durch die Schaltung 253 Sauerstoff in die Seite des Elektrodenteils 201 eingesaugt wird, wodurch bewirkt ist, dass das Elektrodenteil 201 als sogenannte Sauerstoffreferenzelektrode dient.
Die Ausgangsspannungsschaltung 252 dient zum Erfassen einer elektromotorischen Kraft „Vs“, die zwischen den Elektrodenteilen 191 und 201 der VS-Zelle 245 erzeugt ist. Dazu ist die Ausgangsspannungsschaltung 252 an die Elektrodenflächen 233 und 232 des Sensorelements 10 angeschlossen.
Die Referenzspannungsvergleichsschaltung 254 dient zum Vergleichen einer Referenzspannung (d.h., 450 mV in der Erfindung) mit der elektromotorischen Kraft „Vs“, die durch die Ausgangsspannungsschaltung 252 erfasst ist, und leitet die Ergebnisses des Vergleichs an die Pumpstromtreiberschaltung 251 zurück.
Nach dem Empfangen der Ergebnisse des Vergleichs von der Schaltung 254 steuert die Pumpstromtreiberschaltung 251 die Menge und Fließrichtung des Pumpstroms „Ip“, der in die Sauerstoffpumpzelle (IP-Zelle) 240 eingespeist ist, und daher ist die Pumpstromtreiberschaltung 251 an die Elektrodenflächen 231 und 232 angeschlossen.
Die Labelwiderstandsleseschaltung 255 dient zum Auslesen, aus dem Kompensationswiderstand 220 des Sensorelements 10, des Widerstandswerts, der durch die Korrekturinformation (d.h. Korrekturfaktor K) wiedergegeben wurde. Wie obenstehend angegeben, ist der Kompensationswiderstand 220 an die gepaarten Stromleitungen angeschlossen, durch die Strom in die Elektroden 191 und 201 der VS-Zelle 245 gespeist ist, und daher ist der Kompensationswiderstand 220 parallel an die VS-Zelle 245 angeschlossen. Zum Auslesen des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands 220 ist die Labelwiderstandsleseschaltung 255 parallel an Verbindungsleitungen (d.h., ein Paar Stromspeiseleitungen, die bewirken, dass Strom zu den gepaarten Elektroden 191 und 201 fließt) der Elektrodenflächen 232 und 233 des Sensorelements 10 angeschlossen. Das Auslesen des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands 220 erfolgt entsprechend einem Sensorkontrollprogramm, das im Folgenden beschrieben wird. Bei der Erfindung wird durch Einspeisen einer vorgegebenen Menge von Mikro-Strom „Icp“ in den Kompensationswiderstand 220 bewirkt, dass der Kompensationswiderstand 220 ein Spannungssignal ausgibt, und durch Verarbeiten des ausgegebenen Spannungssignals und des Mikro-Stroms „Icp“ wird der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 erhalten.
Wie aus 5 ersichtlich, umfasst die elektrische Kontrollschaltung „ECU“ 280 eine Zentraleinheit (CPU) 281, einen Festwertspeicher (ROM) 282, einen Arbeitsspeicher (RAM) 283 und eine Heizerkontrollschaltung 285. Nach dem Empfangen von verschiedenen Informationssignalen, wie jenen von der Sensorkontrolleinheit 250 und jenen bezüglich des Betriebs eines zugeordneten Kraftfahrzeugs (z.B. Informationssignale über Motorkühlwassertemperatur, Motorgeschwindigkeit usw.), führt die elektrische Kontrolleinheit „ECU“ 280 vorgegebene Programme (d.h., programmierte Betriebsschritte) zum Steuern des Betriebs verschiedener Vorrichtungen, wie etwa des Motors und einer externen Vorrichtung, entsprechend den empfangenen Informationssignalen aus. Ein im Folgenden angegebenes Sensorkontrollprogramm ist eines dieser vorgegebenen Programme. Anfangswerte, die für derartige Programme benutzt sind, sind im Festwertspeicher (ROM) 282 gespeichert. Eine Tabelle (oder Abbildung) und Formeln, die eine Beziehung zwischen dem Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 und dem Korrekturfaktor „K“ zeigen, sind ebenfalls im Festwertspeicher (ROM) 282 gespeichert.
Die Heizerkontrolleinheit 285 ist eine Schaltung zum Anlegen einer Spannung „Vh“ an den Heizer 3 in Zusammenwirkung mit einer bekannten Sensorwiderstandswert-Erfassungsschaltung (nicht gezeigt). Durch die Sensorwiderstandswert-Erfassungsschaltung wird eine vorgegebene Menge an Stromvariationen in regelmäßigen Zeiträumen von einer Stromspeiseschaltung (nicht gezeigt) an die VS-Zelle 245 geleitet, und eine Menge an Spannungsvariationen, die dadurch von der VS-Zelle 245 erhalten wird, wird der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280 als Sensorwiderstandswert-Darstellungssignal zugeführt. Durch die elektrische Kontrolleinheit „ECU“ 280 wird die Temperatur des Sensorelements 10 auf Grundlage des Sensorwiderstandswert-Darstellungssignals abgeleitet, und die Heizerkontrollschaltung 285 wird auf Grundlage der abgeleiteten Temperatur zum Steuern der Spannung, die an den Heizer 3 angelegt ist, durch PBM (Pulsbreitenmodulation) betrieben. Das bedeutet, dass die Spannung, die an den Heizer 3 angelegt ist, derart gesteuert wird, dass bewirkt ist, dass das Sensorelement 10 eine Arbeitstemperatur (beispielsweise 800 °C) aufweist, die höher als die Aktivierungstemperatur (beispielsweise 600 °C) ist. Insbesondere erfolgt die Steuerung derart, dass bewirkt ist, dass der Sensorwiderstandswert einen Zielwiderstandswert aufweist, der für die Arbeitstemperatur geeignet ist. Bei einer derartigen Steuerung werden die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 auf eine Temperatur erwärmt, die höher als die Aktivierungstemperatur ist. Der Temperatursteuerungsprozess, der durch die elektrische Kontrolleinheit „ECU“ 280 ausgeführt wird, ist ein bekannter Prozess, wie er etwa in der japanischen Patent-Auslegeschrift (Tokkai) 2003-185626 offenbart ist.
Im Folgenden ist eine kurze Beschreibung auf den Prozess zum Erfassen der Konzentration von Sauerstoff (Luft/Kraftstoff-Verhältnis), die im Abgas aus einem Verbrennungsmotor enthalten ist, durch das Sensorelement 10 des Sauerstoffsensors 1 gerichtet.
Bei Betrieb des Motors werden die IP-Zelle 240 und die VS-Zelle 245, die mit den Festelektrolytsubstraten 120 und 140 vorgesehen sind, welche nahezu ausschließlich aus Zirkonoxid (engl. zirconia) gebildet sind, durch den Heizer 3 erwärmt, um aktiviert zu werden. Danach wird ein Pumpstrom „Ip“, der den Elektroden 171 und 181 der IP-Zelle 240 zugeführt ist, derart gesteuert, dass die elektromotorische Kraft, die zwischen den Elektroden 191 und 201 erzeugt ist, auf einem konstanten Wert (beispielsweise 450 mV) gehalten ist. Dadurch fließt der Pumpstrom „Ip“ im Verhältnis zur Sauerstoffkonzentration, und daher kann die Sauerstoffkonzentration (oder das Luft/Kraftstoff-Verhältnis) in dem Abgas linear auf Grundlage des Pumpstroms „Ip“ erfasst oder gemessen werden.
Wie obenstehend angegeben, weisen die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 eine isolierende Charakteristik auf einer niedrigen Temperatur, darunter Raumtemperatur, auf. Durch praktische Nutzung einer derartigen Charakteristik wird in der Erfindung der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220, der parallel an die VS-Zelle 245 des Erfassungselements 2 angeschlossen ist, gelesen. Insbesondere wird gemäß dem Sensorkontrollprogramm, das durch die CPU 281 ausgeführt wird, welche in der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280 angeordnet ist, der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 unter einer Bedingung ausgelesen, bei der die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 (oder das Sensorelement 10) in einem nicht aktivierten Zustand sind. Wie obenstehend angegeben, wird, nachdem die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 (oder das Sensorelement 10) aktiviert wurden, das erfasste Signal (der erfasste Wert „Vip“) auf Grundlage des Pumpstroms „Ip“ erhalten und die Korrektur des erfassten Werts „Vip“ durch Anwendung der Korrekturinformation ausgeführt, die durch den Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 wiedergegeben ist. Auf Grundlage des korrigierten erfassten Werts „korrigierter Vip“ werden die Sauerstoffkonzentration und das Luft/Kraftstoff-Verhältnis in dem Abgas abgeleitet.
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf das Ablaufdiagramm in 6 Betriebsschritte des Sensorkontrollprogramms beschrieben.
Wenn der Motor des Kraftfahrzeugs angelassen wird, wird die Ausführung des Sensorkontrollprogramms in der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280 gestartet.
Zunächst wird bei Schritt S11 eine Initialisierung ausgeführt, um die verschiedenen Variablen und Flags zurückzusetzen. Durch die Initialisierung wird das Auslese-Flag für den Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 auf Position 0 eingestellt.
Dann wird bei Schritt S13 die Heizerkontrollschaltung 285 zum Beginnen der Stromzufuhr an den Heizer 3 betrieben.
Dann wird bei Schritt S15 der Sensorsteuereinheit 150 ein Steuersignal zugeführt, um zu bewirken, dass die Mikro-Stromspeiseschaltung 253 eine vorgegebene Menge von Mikro-Strom „Icp“ in die VS-Zelle 245 speist. Mit diesen Schritten wird durch die oben angegebene Sensorwiderstandswert-Erfassungsschaltung ein Sensorwiderstandswert-darstellendes Signal erhalten und der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280 zugeführt.
Dann wird bei Schritt S17 unter Bezugnahme auf die Temperatur des Sensorelements 10, die auf Grundlage des Sensorwiderstandswertdarstellenden Signals abgeleitet ist, beurteilt, ob die Aktivierung des Sensorelements 10 abgeschlossen ist oder nicht.
Bei NEIN bei Schritt S17, d.h., wenn die Aktivierung noch nicht abgeschlossen ist, leitet der Betriebsablauf zu Schritt S19.
Bei Schritt S19 wird beurteilt, ob ein Auslese-Flag null (0) zeigt oder nicht, d.h., es wird beurteilt, ob erforderlich ist, den Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 auszulesen oder nicht. Da das Auslese-Flag gleich nach dem Anlassen des Motors bei Schritt S11 bereits auf null (0) gestellt wurde, leitet der Betriebsablauf mit Antwort „JA“ zu Schritt S21 weiter.
D.h., bei JA bei Schritt S19 leitet der Betriebsablauf zu Schritt S21 weiter.
Bei diesem Schritt S21 wird der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 durch die Labelwiderstandsleseschaltung 255 ausgelesen.
Während der Betriebsablauf bei NEIN bei Schritt S19 zu Schritt S31 weiterleitet, der im Folgenden detailliert beschrieben wird.
Wie obenstehend angegeben, wenn die Festelektrolytsubstrate 120 und 140 (d.h. das Sensorelement 10) im nicht aktivierten Zustand sind, zeigen sie keine Sauerstoffionenleitfähigkeit. Daher ist der Mikro-Strom „Icp“ in diesem Falle gezwungen, in den Kompensationswiderstand 220 zu fließen, der parallel an die VS-Zelle 245 angeschlossen ist. Dementsprechend ist durch Auslesen oder Erfassen des Signals (d.h. erfassten Werts), der durch den Widerstandswert zwischen den gepaarten Elektroden 191 und 201 der VS-Zelle 245 durch die Labelwiderstandsleseschaltung 255 wiedergegeben ist, der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 erhältlich.
Es ist zu beachten, dass die Labelwiderstandsleseschaltung 225 und die Zentraleinheit (CPU) 281 der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280, die über die Schaltung 255 das Signal empfängt, das dem Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 entspricht, ein sogenanntes erstes Verarbeitungsmittel bilden.
Wie obenstehend beschrieben, wurde jeder Kompensationswiderstand 220 angepasst oder derart getrimmt, dass er einen Widerstandswert aufweist, der mit der Korrekturinformation (d.h. dem Korrekturfaktor „K“) zusammenpasst, welcher von dem entsprechenden Sensorelement 10 benötigt ist. Dementsprechend wird der Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 in der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280 aus dem entsprechenden Signal abgeleitet, das von der Sensorkontrolleinheit 250 über die Labelwiderstandsleseschaltung 255 erhalten wird, wonach Bezug auf die Tabelle (oder die Abbildung) und Formeln genommen wird, die die Beziehung zwischen dem abgeleiteten Widerstandswert des Kompensationswiderstands 220 und einem gewünschten Korrekturfaktor „K“ zeigen.
Das bedeutet, dass bei Schritt S23 der gewünschte Korrekturfaktor „K“ abgeleitet wird.
Dann wird bei Schritt S25 das Auslese-Flag auf eins (1) eingestellt. Sobald der Betriebsablauf diesen Schritt S25 erreicht, wird die Ableitung eines neuen Korrekturfaktors „K“ während des Motorbetriebs unterbunden.
Dann leitet der Betriebsablauf zu Schritt S31 weiter, der im Folgenden beschrieben wird.
Bei JA bei Schritt S17, d.h. wenn beurteilt ist, dass die Aktivierung des Sensorelements 10 abgeschlossen ist, leitet der Betriebsablauf zu Schritt S27 weiter. Das bedeutet, dass bei Aktivierung der Pumpstrom „Ip“, der in die Elektroden 171 und 181 der IP-Zelle 240 gespeist wird, derart gesteuert wird, dass das Potential zwischen den Elektrodenteilen 191 und 201 der VS-Zelle 245 auf einer konstanten Ebene gehalten ist.
Das bedeutet, dass bei Schritt S27 unter Benutzung der Sensorkontrolleinheit 250 ein erfasstes Signal (erfasster Wert „Vip“) auf Grundlage des Pumpstroms „Ip“ erhalten wird.
Bei Schritt S29 wird ein korrigierter Vip durch Multiplizieren des erfassten Werts „Vip“ mit dem Korrekturfaktor „K“, der bei Schritt S23 abgeleitet wurde, erhalten.
Unter Benutzung eines bekannten Programms wird die Sauerstoffkonzentration in dem Abgas auf Grundlage eines exakten Vip, der durch Korrigieren des individuellen Unterschieds des Sensorelements 10 bereitgestellt ist, berechnet und die gemessene Sauerstoffkonzentration zum Durchführen der Luft/Kraftstoff-Feedbackkontrolle des Motors praktisch genutzt.
Bei Schritt S31 wird beurteilt, ob eine vorgegebene Zeit (beispielsweise 10 ms) vom nächstvorhergehenden Schritt abgelaufen ist oder nicht.
Bei JA bei Schritt S31, das heißt, wenn beurteilt wird, dass die vorgegebene Zeit abgelaufen ist, leitet der Betriebsablauf zurück zu Schritt S17 zum Ausführen der oben angegebenen Schritte.
Bei NEIN bei Schritt S31, das heißt, wenn beurteilt wird, dass die vorgegebene Zeit nicht abgelaufen ist, wiederholt sich die Beurteilung dieses Schritts.
Es ist zu beachten, dass die Zentraleinheit (CPU) 281 der elektrischen Kontrolleinheit „ECU“ 280, die das erfasste Signal bei Schritt S27 empfängt, ein sogenanntes zweites Verarbeitungsmittel bildet.
Es ist weiterhin zu beachten, dass die Zentraleinheit (CPU) 281, die den korrigierten Vip durch Multiplizieren des erfassten Werts „Vip“ mit dem Korrekturfaktor „K“ ableitet, ein sogenanntes drittes Verarbeitungsmittel bildet.
Wie obenstehend angegeben, wird der Mikro-Strom „Icp“ in die VS-Zelle 245 eingeprägt. Der Mikro-Strom ist ein Konstantstrom (engl. constant current). Durch Einprägen des Konstantstroms, so dass er durch den Kompensationswiderstand 220, der parallel an die VS-Zelle 245 angeschlossen ist, fließt, ist der Widerstandswert des korrigierten Widerstands leicht erhältlich.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die obenstehend angegebenen Ausführungsformen beschränkt ist. Angesichts der obenstehenden Beschreibung können verschiedene Modifikationen und Variationen derartiger Ausführungen vom Fachmann ausgeführt werden.
Beispielsweise könnten, wie aus 7 ersichtlich, als Ersatz für das obenstehend angegebene Trimmen (d.h., Lasertrimmen), das auf einen Teil des Kompensationswiderstands 220 angewendet ist, die Elektrodenanschlüsse 246 und 247, die an gegenüberliegende Enden des Kompensationswiderstands 220 angeschlossen sind, einen Abschnitt 248 aufweisen, auf den das Trimmen praktisch ausgeführt ist. Das bedeutet, dass in diesem Beispiel das Trimmen nicht auf den Kompensationswiderstand 220 ausgeführt ist. Wie in 7 gezeigt, ist in diesem Beispiel der Abschnitt 248 derart behandelt, dass er eine Kammform aufweist. Vordere Abschnitte von Zähnen des kammförmigen Abschnitts 248 sind an den Kompensationswiderstand 220 angeschlossen. Lasertrimmen ist auf einen Wurzelabschnitt der Zähne zum Vorsehen von eingeschnittenen Abschnitte 249 im Wurzelabschnitt ausgeführt, wie gezeigt. Mit einem derartigen Trimmen kann der Widerstandswert zwischen den Elektrodenanschlüssen 246 und 247 angepasst werden.
Obenstehend ist ein sogenannter Ganzbereichs-Luft/Kraftstoff-Verhältnissensor als ein Beispiel von Gassensoren beschrieben. Bei der Erfindung ist der Sensor jedoch nicht auf einen derartigen Sensor beschränkt. Beispielsweise kann die vorliegende Erfindung auf einen Zellen-Sauerstoffsensor, der die Sauerstoffkonzentration durch praktisches Nutzen des stöchiometrischen Punkts (14,7) des Luft/Kraftstoff-Verhältnisses erfasst, NOx-Sensor, HC-Sensor und dergleichen Anwendung finden. Zudem könnten anstelle der zylindrischen Haupthalterung 50 (siehe 1) Halterungen ohne Gewinde benutzt sein.

Claims

Gassensorelement (10/2) mit zumindest einer Zelle (240/245), die ein Festelektrolytsubstrat (120/140) und ein Paar Elektroden (171, 181/191, 201) umfasst, welche das Festelektrolytsubstrat (120/140) innig dazwischen eingesetzt aufweisen, sodass das Gassensorelement (10/2), wenn betrieben, ein Informationssignal ausgibt, das eine Konzentration eines bestimmten Gases in einer gasförmigen Umgebung darstellt, wobei zum Ausgeben des Informationssignals ein Stromfluss durch eine der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201), das Festelektrolytsubstrat (120/140) und die andere der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201) der Zelle (240/245) eingeprägt wird; wobei ein Kompensationswiderstand (220) integral durch das Gassensorelement (10/2) bereitgestellt ist, und der Kompensationswiderstand (220) einen Widerstandswert aufweist, der eine Korrekturinformation repräsentiert, die zum Korrigieren des Informationssignals benutzt wird; und wobei der Kompensationswiderstand (220) über ein Paar Stromleitungen parallel an die Zelle (240/245) angeschlossen ist und an einer Position angeordnet ist, die von dem Festelektrolytsubstrat (120/140) elektrisch isoliert ist.
Gassensorelement (10/2) nach Anspruch 1, wobei der Kompensationswiderstand (220) derart aufgebaut ist, dass er einen Widerstandswert aufweist, der niedriger als ein Widerstandswert ist, der von dem Festelektrolytsubstrat (120/140) bei einer Raumtemperaturbedingung gezeigt wird, und einen Widerstandswert aufweist, der mehr als das Zehnfache eines Widerstandswerts beträgt, der von dem Festelektrolytsubstrat (120/140) bei einer Temperaturbedingung von 800°C gezeigt wird.
Gassensorelement (10/2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei die Zelle (245) eine sauerstofferzeugende Zelle ist, die Sauerstoff erzeugt, wenn ein Konstantstromfluss durch die Zelle (245) eingeprägt wird.
Gassensorelement (10/2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Kompensationswiderstand (220) mit einer Schutzschicht (224) zum Schützen des Kompensationswiderstands (220) vor umgebendem Gas bedeckt ist, wobei die Schutzschicht (224) auf einer Außenfläche des Gassensorelements (10/2) vorgesehen ist.
Gassensorelement (10/2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Kompensationswiderstand (220) derart getrimmt ist, dass er unter einer Raumtemperaturbedingung einen Widerstandswert anzeigt, der niedriger als ein Widerstandswert des Festelektrolytsubstrats (140) ist, und unter einer Arbeitstemperaturbedingung einen Widerstandswert zeigt, der mehr als das Zehnfache des Widerstandswerts des Festelektrolytsubstrats (140) beträgt, und damit einen angepassten Widerstandswert aufweist, der die Korrekturinformation wiedergibt.
Gassensor (1), umfassend: ein Gassensorelement (10/2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5; und ein Gehäuse (50), das das Gassensorelement (10/2) darin hält.
Gassensorkontrollsystem, umfassend: einen Gassensor (1) nach Anspruch 6; und eine Kontrolleinheit (250), die elektrisch an den Gassensor (1) angeschlossen ist und beabstandet zu dem Gassensor (1) vorgesehen ist, wobei die Kontrolleinheit (250) umfasst: ein erstes Verarbeitungsmittel (S21), das ein erstes Informationssignal vorsieht, welches einen Widerstandswert des Kompensationswiderstands (220) wiedergibt, ein zweites Verarbeitungsmittel (S27), das ein zweites Informationssignal vorsieht, welches die Konzentration des bestimmten Gases wiedergibt, und ein drittes Verarbeitungsmittel (S29), das die Korrekturinformation (K) gemäß dem ersten Informationssignal berechnet und das zweite Informationssignal gemäß der berechneten Korrekturinformation (K) korrigiert.
Gassensorelement (10/2) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Kompensationswiderstand (220) über ein Paar Stromleitungen an die gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201) angeschlossen ist, sodass der Kompensationswiderstand (220) parallel an die Zelle (240/245) angeschlossen ist, wobei der Kompensationswiderstand (220) eine Korrekturinformation repräsentiert, die zum Korrigieren des Informationssignals benutzt wird, und der Kompensationswiderstand (220) zum Aufweisen des Widerstandswerts, der durch die Korrekturinformation wiedergegeben ist, durch Laser getrimmt ist.
Verfahren zum Herstellen eines Gassensorelements (10/2), das Verfahren umfassend: Bereitstellen eines Gassensorelements (10/2) mit zumindest einer Zelle (240/245), die ein Festelektrolytsubstrat (120/140) und ein Paar Elektroden (171, 181/191, 201) umfasst, welche das Festelektrolytsubstrat (120/140) innig dazwischen eingesetzt aufweisen, sodass das Gassensorelement (10/2) angepasst ist, ein Informationssignal auszugeben, das eine Konzentration eines bestimmten Gases in einer gasförmigen Umgebung darstellt, wobei die Zelle (240/245) von einer Art ist, bei der zum Ausgeben des Informationssignals ein Stromfluss durch eine der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201), das Festelektrolytsubstrat (120/140) und die andere der gepaarten Elektroden (171, 181/191, 201) eingeprägt wird; einem Kompensationswiderstand (220), der integral vom Gassensorelement (10/2) bereitgestellt ist, wobei der Kompensationswiderstand (220) über ein Paar Stromleitungen parallel an die Zelle (240/245) angeschlossen ist und an einer Position angeordnet ist, die von dem Festelektrolytsubstrat (120/140) elektrisch isoliert ist, Anpassen des Widerstandswerts des Kompensationswiderstands (220), so dass er einen Widerstandswert aufweist, der eine Korrekturinformation wiedergibt, die zum Korrigieren des Informationssignals benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Anpassen ein Trimmen des Kompensationswiderstands (220) durch Laser umfasst.