JP4806069B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、独立の請求項1の上位概念に基づくガスセンサに関している。

その様なガスセンサは、例えば DE １０２ ５７ ２８４ Ａ１ から知られる。その時々に必要な加熱出力をセンサエレメントへ送り込むためにセンサヒータが時間制御で作動されるこのガスセンサの場合、センサヒータは二本のリード線を備えている。その上更にポンプセルとネルンストセルのためにポンプ電流ケーブル、測定ケーブル、並びに基準ポンプ電流ケーブルが備えられている。ポンプセルとネルンストセルのために一本の共通の測定ケーブルが用いられる。

その様なワイドバンドゾンデの接触のためにはプラグが必要であり、そのプラグは６つの極を持っていなければならない。追加のケーブルとプラグのピンは追加の製造費を必要とし、これが追加のコストの原因となる。その上更に標準プラグの利用も簡単にはできない。内燃機関のアースと、例えば制御装置によって作られる回路装置のアースとの間の電圧降下が電流負荷に応じて可変的となり、接続が腐食した場合には約１Ｖとなり、ネルンスト電圧をオーバーしてしまうことがあるということも欠点である。

更にセンサエレメントの中で時間制御されたヒータとセンサのネルンストセルとの結合によって出力信号の好ましくない障害が発生することがある。信号ケーブルの中へのヒータ電流の結合はガスセンサの機能の顕著な障害を引き起こすことがある。

それに対して、請求項１の特徴を備えた本発明に基づくガスセンサは、ポンプ電流ケーブルと一本のケーブルが互いに電気的に接続されてアースへ繋がれており、ポンプ電流は測定ケーブルによって給電可能であり、又測定ケーブルと基準ポンプ電流ケーブルとの間のネルンスト電圧を読み取ることができるので、信号ケーブルを又それと共にプラグピンも不要とすることができる。この様な配線の故に、確かに、時間制御されたヒータケーブルの上の電圧降下は必要なポンプ電圧を変化させるけれども、測定されたポンプ電圧は更にポンプセルだけを通って流れる。更に、ネルンスト電圧がオフセットを持たないということが有利である。

付属の諸請求項の中に述べられている諸措置によって独立の請求項に示されているガスセンサの有利な拡張及び改良が可能である。
一つの好ましい実施態様では、ヒータに、高電位側（ハイサイド）ＦＥＴによって時間制御された電圧を印加するということが考えられている。さもなければ制御電子装置のアースはＵＢａｔｔへ繋げられなければならなかったであろう。

アースオフセットがあれば、ネルンスト電圧は、都合の良いことに、測定ケーブルと基準ポンプ電流ケーブルとの間に配置された計器用増幅器によって測定される。
本発明の実施例が図面に示されており、且つ以下の記述の中で詳しく説明される。

図１に示されているガスセンサ１０は、検査対象ガスに対して暴露されている、外側のポンプ電極１１とも呼ばれる第一の電極を含んでいる。検査対象ガスは、ガスダクト１２と拡散バリヤ１３とを経て測定ガス室１４へ達するが、この測定ガス室の中に内側のポンプ電極１５とも呼ばれる第二の電極が配置されている。第一と第二の電極１１、１５の間にポンプセルが生まれる。第一の電極１１はポンプ電流ケーブル１６と、又第二の電極１５は測定ケーブル１７と接続されている。

ガスセンサ１０は基準ガス室１８を含んでおり、このガス室１８の中に、基準ポンプ電流ケーブル２０と結合された第三の電極１９が配置されている。基準ガス室１８と測定ガス室１４との間には、電極１１と１５の間と同様、ネルンストセルが生まれ、この中で基準ガスイオントランスポートが行われることができる。

ガスセンサ１０は更に、ヒータケーブル２３、２４を備えたセンサヒータ２２を含んでいる。ポンプ電流ケーブル１６、測定ケーブル１７、基準ポンプ電流ケーブル２０、及びヒータケーブル２３、２４は、図２に略示されている様に、制御装置２００へ接続されている。そのために例えば、ケーブルの数と対応するピン数を備えたプラグコネクタが備えられている。

図２には、その様なガスセンサの代替回路、並びに、例えば制御装置の一部である回路装置２００の構成が略示されている。
基準ポンプ電流ケーブル２０を通じて、電源２４０によって準備された基準ポンプ電流が抵抗２４１を通じて第三の電極１９へ送り込まれる。基準ポンプ電源２４０は更に、差動アンプ２２０の反転入力端と結合されており、このアンプの出力端は負荷抵抗２２３を介してポンプ電流Ｉｐを送り出す。ポンプ電流Ｉｐはアンプ２２２の中で増幅されるセンサ信号と同じである。ポンプ電流Ｉｐは、ポンプ電流ケーブル１６を通して外側のポンプ電極１１へ供給される。外側の電極１１と内側の電極１２との間でセンサエレメントによって作られる抵抗Ｒｉｐを通じて電圧が低下し、この電圧が測定ケーブル１７によって測定され、差動アンプ２２０の非反転入力端へ送られる。測定ケーブル１７は、仮想のアース２１０及び基準電圧電源２３２と結ばれている。基準電圧電源２３２は、差動アンプ２２０の非反転入力端と結ばれている。

ヒータ抵抗１５０を備えているヒータは、二本のケーブル２３、２４を通じてバッテリ電圧ＵＢａｔｔ並びに低電位側（ローサイド）ＦＥＴ２５０と結ばれており、又このＦＥＴ２５０は、回路装置２００の共通のアース２５１への接続線を備えている。ポンプ電流Ｉｐの一部は、平衡ケーブル１８及び、測定抵抗２２３に対して並列で、センサ信号の校正のための可変トリミング抵抗２２４を通して送られる。ワイドバンドセンサのこの配線のためにここでは６本のケーブルが必要となる。

ケーブルの数を減らすために、図３に示されている本発明に基づくガスセンサの場合には、外側のポンプ電極をヒータケーブル２３′と電気的に結合することが考えられている。このヒータケーブル２３′は更に、回路装置の共通のアース２５１、例えば制御装置２００の制御装置のアースへ繋がれている。第二のヒータケーブル２４′は、クロック２７０によって時間制御された高電位側ＦＥＴを介してセンサヒータのヒータ抵抗１５０と接続されている。ポンプ電流は、このガスセンサの場合には測定ケーブル１７′を通して供給され且つこのケーブルで測定される。内側のポンプ電極１５と第三の電極１９との間のネルンスト電圧の測定のために、測定ケーブル１７′が差動アンプ２２０の非反転入力端に導かれる。基準ポンプ電流ケーブル２０′を通して、電源２４０によって用意された基準ポンプ電源がそれ自体既知の手法で給電される。このために、ポンプ電源変換器は二極設計となっている。何故なら、ポンプセルにはマイナスのポンプ電流が供給されなければならないからである。

ネルンスト電流は、第二の電極、即ち内側の電極１５と、第三の電極１９との間の計器用増幅器を通じて測定される。この場合、基準電圧電源２３２は、差動アンプ２２０の反転入力端と接続される。

図２に示されている従来技術から知られているガスセンサの場合でも、図３に示されている本発明に基づくガスセンサの場合でも、ガスセンサの内部抵抗の測定は、キャパシタンス（容量）２３１を介して回路装置２３０によって行われる。かくして、ネルンストセルの内部抵抗の測定に基づいてガスセンサの温度を推定することができる。代わりのやり方として、ヒータ抵抗の測定による温度確定も可能である。ポンピングされた基準のための電流は、基準ポンプ電流ケーブル２０′によって第三の電極１９へ送られ、外側のポンプ電極１１を通って流れる。従って、外側のポンプ電極の中の酸素が汲み出され、電極１５の汲み出しの結果として内側のポンプポンプ電流信号のオフセットが無くなる。かくして、基準ポンプ電流信号にはオフセットは無い。

図３を参照しながら説明された上述のガスセンサは、図２を参照しながら説明された、従来技術から知られているガスセンサに対して、６本ではなく５本のケーブルしか必要としないという決定的な利点を持っている。時間制御されたヒータケーブルの電圧降下が必要なポンプ電圧を変化させはするものの、測定されたポンプ電流は、これまでと同じくポンプセルを通って流れるだけである。

技術水準から知られているガスセンサのセンサエレメントの略図を示す。 従来技術から知られているガスセンサの代替回路図を示す。 本発明に基づくガスセンサの代替回路図を示す。

Claims (3)

1. 混合気に対して暴露された外側のポンプ電極（１１）と、
   拡散バリヤ（１３）を介して混合気に対して暴露された内側のポンプ電極（１５）と、
   基準ガスに対して暴露された基準電極（１９）と、
   外側のポンプ電極（１１）と内側のポンプ電極（１５）との間、及び内側のポンプ電極（１５）と基準電極（１９）との間に配置された固体電解質体と、
   を備えたポンプセルと、
   センサヒータ（２２）と、
   を備え、
   外側のポンプ電極（１１）がポンプ電流ケーブル（１６′）によって、内側のポンプ電極（１５）が測定ケーブル（１７′）によって、基準電極（１９）が基準ポンプ電流ケーブル（２０′）によって、センサヒータ（２２）が二本のヒータケーブル（２３′、２４′）によって、回路装置（２００）に接続されている、混合気の中の、特に内燃機関の排気ガスの中の酸素濃度の確定のためのガスセンサにおいて、
   ポンプ電流ケーブル（１６′）とヒータケーブルの一方（２３′）が互いに電気的に接続されてアース（２５１）へ接続されていること、
   ポンプ電流が測定ケーブル（１７′）によって給電可能であること、
   測定ケーブル（１７′）と基準ポンプ電流ケーブル（２０’）との間のネルンスト電圧を読み取ることができること、
   を特徴とするガスセンサ。
2. センサヒータ（２２）に、高電位側ＦＥＴ（２６０）によって時間制御された電圧を印加することができることを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記ネルンスト電圧が、測定ケーブル（１７′）と基準ポンプ電流ケーブル（２０′）との間に配置された計器増幅器によって測定可能であることを特徴とする請求項１又は２に記載のガスセンサ。

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