專利名稱：氣體傳感器控制設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器控制器，并且更具體地涉及連接到諸如NOx傳 感器等的氣體傳感器的氣體傳感器控制設(shè)備，用于基于該氣體傳感器的輸 出而檢測特定成分的濃度。
背景技術(shù)：
近年來，對廢氣排放和燃效需求的更嚴(yán)格控制一直是一種發(fā)展趨勢。 因而，需要提供與例如柴油機(jī)的NOx排放降低相關(guān)的技術(shù)以及與NOx凈化 設(shè)備故障檢測相關(guān)的另一技術(shù)。進(jìn)一步，甚至汽油發(fā)動機(jī)具有擴(kuò)展的應(yīng)用， 該應(yīng)用需要在稀薄燃燒區(qū)域中燃燒空氣/燃料混合物并伴隨有增加的NOx 排放。因而，需要提供與NOx排放控制相關(guān)的技術(shù)以及與NOx凈化設(shè)備故 障檢測相關(guān)的另一技術(shù)。由于這些情況，對NOx傳感器的需求不斷增長。 而且，該NOx傳感器可以優(yōu)選地包括利用氧化鋯固態(tài)電解質(zhì)體的多單元類 型的感測元件。
利用涉及上述NOx傳感器的氣體傳感器，由于實(shí)際應(yīng)用中傳感器本身 所固有的誤差因子以及存在于連接到該氣體傳感器的檢測電路中的另一誤 差因子，在傳感器電流測量值上存在輸出誤差。氣體傳感器誤差因子的示 例可以包括個體差異和隨時間的劣化等。檢測電路的誤差因子的示例包括 電路元件的精度和溫度特性等。特別是，利用NOx傳感器，弱的傳感器電 流取決于NOx濃度而流動，導(dǎo)致由于誤差因子引起的的檢測精度下降的進(jìn) 一步增加的風(fēng)險。利用被設(shè)置以檢測氧氣濃度的氧氣傳感器(A/F傳感器)， 傳感器電流以mA級存在。相對而言，NOx傳感器生成nA級的傳感器電 流，其與上述氧氣傳感器的電流級別相差4-5個數(shù)量級。
利用現(xiàn)有技術(shù)解決這種問題，已試圖提供具有設(shè)置在傳感器電流所流 經(jīng)的電流通路上的開關(guān)的檢測電路。暫時打開該開關(guān)以切斷流經(jīng)該檢測電 路的傳感器電流，并且在這種狀態(tài)下獲取傳感器電流測量值以計算該檢測電路的輸出誤差(例如，參見公開號為2005-326388的日本專利申請)。
然而，利用具有設(shè)置在傳感器電流所流經(jīng)的電流通路上的開關(guān)的這種 結(jié)構(gòu)的檢測電路，應(yīng)該考慮由該開關(guān)導(dǎo)致的對傳感器電流檢測的負(fù)面影響。 在使用包括例如半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)的情況下，會在開關(guān)元件中出現(xiàn)幾 十nA數(shù)量級的泄漏電流(漏電流)。由此，當(dāng)測量弱電流時，諸如在檢測 NOx濃度的階段，會擔(dān)心出現(xiàn)測量誤差，并且具有改善的空間。
同時，利用涉及上述NOx傳感器的氣體傳感器時，需要檢測氣體傳感 器的功能是正常的并且檢測項(xiàng)目的示例包括對于感測元件的斷開確定。在 利用汽車廢氣氣體傳感器時，可能要在法律和規(guī)范的規(guī)定下來指定斷開確 定。用于檢測氣體傳感器中的故障的技術(shù)示例可以包括基于例如A/F傳感 器的元件阻抗來檢測傳感器斷開。更具體地是，在檢測阻抗時，在設(shè)置的 電壓中發(fā)生掃描變化(sweep variation)以獲得電流變化幅度或者可以在這 種掃描變化期間計算阻抗值。因此，基于電流變化幅度或阻抗值來執(zhí)行故 障檢測。通過基于元件阻抗來進(jìn)行故障檢測，即使傳感器輸出是"0"，也 可能做出關(guān)于是正常操作還是故障操作的査詢。即，利用以理論的空氣燃 料比(化學(xué)計量比)為目標(biāo)的空氣/燃料比反饋控制，傳感器輸出在大約是 "0"處保持不變，即使在這種情況下，仍可以檢測諸如斷開等的故障。
然而，禾擁被設(shè)置以檢測例如以NOx檢測信號為例的弱電流的電路， 可以在公共電路上實(shí)現(xiàn)弱電流檢測和阻抗檢測，導(dǎo)致NOx檢測精度劣化的 風(fēng)險。即，由阻抗檢測所得到的電流級別是mA級。相反，NOx檢測信號 的電流級別處于nA級，電流級別彼此相差4-5個量級。因此，很難以增加 的精度執(zhí)行NOx檢測和阻抗檢測，這導(dǎo)致檢測NOx濃度的精度的劣化。
進(jìn)一步，已經(jīng)提供一種技術(shù)，其中檢測電路具有設(shè)置在NOx檢測電流 所流經(jīng)的電流通路上的開關(guān)(例如，參見公開號為2005-3263880的日本專 利申請)。通過使用這種技術(shù)，可以適當(dāng)?shù)厍袚QNOx檢測電路和阻抗檢測 電路，從而有可能根據(jù)需要來提取電流級別的信號。
然而，利用這種結(jié)構(gòu)，其中在檢測電路中在NOx檢測電流所流經(jīng)的電 流通路中設(shè)置有開關(guān)，需要考慮該開關(guān)會不利地影響NOx電流檢測。艮口， 利用包括例如半導(dǎo)體開關(guān)元件的開關(guān)，會在開關(guān)元件中出現(xiàn)幾十nA級的泄 漏電流(漏電流)。因此，在測量弱電流時，諸如在檢測NOx濃度等的階段，具有測量誤差的風(fēng)險，并且具有改善的空間。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種氣體傳感器控制設(shè)備，其中適當(dāng)?shù)赜?br> 算用于校正元件電流的電流校正值以利用較高的精度來檢測諸如NOx濃度 之類的特定成分濃度。
本發(fā)明的另一目的是提供氣體傳感器控制設(shè)備，其中可以合適地確定 諸如活動性不足或斷開之類的故障，同時抑制對檢測氣體濃度的精度的不 利影響。
下面描述了用于解決上述問題的結(jié)構(gòu)和有利的效果。 根據(jù)本發(fā)明，將氣體傳感器控制設(shè)備連接到氣體傳感器，該氣體傳感 器控制設(shè)備包括固態(tài)電解質(zhì)體以在該固態(tài)電解質(zhì)體上形成的一對電極，其 中在接收到經(jīng)該對電極施加的電壓時，根據(jù)測量氣體中的特定成分濃度而 生成元件電流。利用該氣體傳感器控制設(shè)備，利用電壓-電流轉(zhuǎn)換器測量元 件電流并且將利用該電壓-電流轉(zhuǎn)換器所測量的元件電流的測量結(jié)果從輸出 電路輸出作為元件電流測量值。進(jìn)一步，在存在從施加電壓設(shè)置電路所施 加的電壓的情況下，基于從輸出電路輸出的元件電流測量值來計算特定成 分的濃度(氧氣濃度和NOx濃度等)。
利用本發(fā)明的一個實(shí)施例，開關(guān)裝置(如圖4所示的開關(guān)電路71)設(shè) 置在沒有元件電流流過的元件電流流動禁止通路中。在該開關(guān)裝置關(guān)閉時， 調(diào)節(jié)施加電壓設(shè)置電路的設(shè)置電壓(所施加的電壓)以使得電壓-電流轉(zhuǎn)換 器的兩個端子之間的電位差處在預(yù)定的特定值。通過使用這種狀態(tài)下輸出 電路的輸出值來計算用于校正元件電流的電流校正值。還在基于元件電流 測量值來檢測氣體濃度時，暫時閉合開關(guān)裝置以計算電流校正值。 利用這種結(jié)構(gòu)，使開關(guān)裝置進(jìn)入閉合狀態(tài)允許建立兩個階段。 在一個階段中，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓在反饋回路中被 輸入到施加電壓設(shè)置電路。
在另一階段中，對反饋輸入做出響應(yīng)而調(diào)節(jié)施加電壓設(shè)置電路所施加 的電壓，以使得電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差處在預(yù)定的特定 值。
10在操作時利用這種階段，可能適當(dāng)?shù)孬@得用于校正等于即時氣體傳感 器控制設(shè)備特性中的變化分量的用于校正元件電流的電流校正值。即，通 過將當(dāng)電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被設(shè)置成特定值時出現(xiàn)的 元件電流測量值(利用電路所實(shí)際測量的元件電流值)與待原始輸出的輸 出值(設(shè)計值等)做比較，可以根據(jù)這些因子的差異來計算用于校正元件 電流的電流校正值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，開關(guān)裝置設(shè)置在元件電流流動禁止通路上， 在該元件電流流動禁止通路中沒有元件電流流動。這可以避免導(dǎo)致由于在 開關(guān)裝置，即諸如電阻器等的半導(dǎo)體切換元件上所感應(yīng)的漏電流引起的元 件電流測量值的誤差的不便。特別地，當(dāng)測量弱的元件電流時，由于存在 開關(guān)裝置，所以在電流測量值中出現(xiàn)誤差是可能的。這種誤差導(dǎo)致對檢測 氣體濃度結(jié)果的不利影響增強(qiáng)。然而，提供這種開關(guān)裝置可以避免出現(xiàn)這 種不便。
利用上述本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，此外，可以適當(dāng)?shù)乩锰岣邫z測氣體 濃度的精度的合成能力來計算用于校正元件電流的電流校正值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，閉合開關(guān)裝置允許電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個 端子之間的電位差被調(diào)零。這允許在電位差保持為零的情況下能夠得到輸 出電路的輸出值。在這種情況下，由于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的 電位差被調(diào)零，可能建立一種狀態(tài)，其中沒有元件電流流動，即，元件電
流^0nA的狀態(tài)，并且在元件電流-0nA的狀態(tài)下得到電流校正值。
進(jìn)一步，如這里所使用的，"電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差 被調(diào)零"的狀態(tài)相應(yīng)于流經(jīng)感測元件的電流是OnA或大約OnA的狀態(tài)。在 這種情況下，實(shí)際電路結(jié)構(gòu)包括許多電路元件并且由于存在這種電路元件， 可忽略的電流流經(jīng)實(shí)際電路結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格地講，盡管沒有一種情況代表"元 件電流s0nA"的狀態(tài)，但是假設(shè)由于這種電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的這種可忽略的電 流流動的存在與電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零的狀態(tài)相 對應(yīng)。
電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零的狀態(tài)(即，元件電 流s0nA的狀態(tài))表示特定成分濃度=0% (或0ppm)并且元件電流aOnA。 在這種情況下，在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零的狀態(tài)(即，元件電流aOnA的狀態(tài))下的元件電流測量值與偏移誤差相對應(yīng)。因 此，在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零的狀態(tài)下，可以優(yōu) 選地將偏移校正值計算為電流校正值。
禾I擁本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，經(jīng)由第一反饋通路(圖4中的反饋通路L1)，
輸出電路的輸出被以反饋形式輸入到施加電壓設(shè)置電路，并且經(jīng)由第二反 饋通路(圖4中的反饋通路L2)，在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子處的 電壓被以反饋形式輸入到施加電壓設(shè)置電路。開關(guān)裝置設(shè)置在兩個反饋通 路的第二反饋通路中。在正常濃度檢測操作期間，兩個反饋通路中的第一 反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)，以允許施加電壓設(shè)置電路根據(jù)以反饋形式經(jīng)由 第一反饋通路輸入的所述輸出電路的輸出來設(shè)置所述施加電壓。在計算用 于校正元件電流的電流校正值的操作期間，僅兩個反饋通路中的第二反饋 通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)，以允許所述施加電壓設(shè)置電路根據(jù)以反饋形式經(jīng)由 第二反饋通路輸入的電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓來設(shè)置所述施加 電壓。
利用這種結(jié)構(gòu)，合適地選擇到施加電壓設(shè)置電路的反饋通路的步驟能 夠臨時中斷氣體濃度檢測操作，此時，可以計算電流校正值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，將電壓跟隨器和同相放大器電路中的至少 一個設(shè)置在電通路，通過該電通路，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子和施 加電壓設(shè)置電路彼此電連接。開關(guān)裝置設(shè)置在電壓跟隨器和同相放大器電 路中的至少一個以及施加電壓設(shè)置電路之間的通路中。利用這種結(jié)構(gòu)，沒 有元件電流流經(jīng)電壓跟隨器和同相放大器電路中的至少一個與施加電壓設(shè) 置電路的輸出側(cè)。這使得能夠在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子和施加電 壓設(shè)置電路之間的電通路中建立通路，在該通路中沒有元件電流流過。利 用設(shè)置在這種通路上的開關(guān)裝置，可以防止該開關(guān)裝置不利地影響元件電 流。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，施加電壓設(shè)置電路包括具有負(fù)反饋部分的 運(yùn)算放大器，并且電壓-電流轉(zhuǎn)換器在負(fù)反饋部分外側(cè)的位置處連接到運(yùn)算 放大器的輸出側(cè)。利用這種結(jié)構(gòu)，測量位于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的至少傳感器 相對側(cè)端子處的電壓的步驟允許測量元件電流。此外，可以控制運(yùn)算放大 器的輸出端子電壓，即電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器相對側(cè)端子處的電壓，從而能夠使傳感器相對側(cè)端子處的電壓相對于傳感器側(cè)端子處的電壓增大或 減小。換言之，可以控制電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差。因此， 這能夠允許電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零或被控制到其 它不同的值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，設(shè)計結(jié)構(gòu)以使開關(guān)裝置保持閉合，將施加 電壓設(shè)置電路的施加電壓相對于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓而設(shè) 置為具有給定電位差(#0)的電壓。利用這種結(jié)構(gòu)，使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的 兩個端子支架的電位差設(shè)置成除了調(diào)零值之外的給定值的步驟能夠建立給
定的元件電流流動的狀態(tài)。即， 一種情況代表具有"元件電流=給定值(#0)"
的狀態(tài)。這導(dǎo)致能夠在"元件電流=給定值"的狀態(tài)下獲取電流校正值。 當(dāng)由于即時傳感器控制設(shè)備的特性發(fā)生變化而出現(xiàn)增益誤差時，將電
壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差調(diào)節(jié)到至少兩個不同的電壓值，以 允許根據(jù)此時存在的電路輸出來計算增益校正值。在這種情況下，可以按 照下述方式計算增益校正值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，當(dāng)開關(guān)裝置進(jìn)入到閉合狀態(tài)時，將施加電 壓設(shè)置電路的施加電壓調(diào)整為相對于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓 感應(yīng)出多個電位差的電壓，從而在電壓待調(diào)整的多個狀態(tài)下從輸出電路獲 取輸出值。對在多個狀態(tài)下獲取的輸出電路的輸出值做出響應(yīng)，校正值計 算裝置將增益校正值計算為電流校正值。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，當(dāng)開關(guān)裝置進(jìn)入到閉合狀態(tài)時，在第一狀 態(tài)下將施加電壓設(shè)置電路的施加電壓調(diào)整為用于感應(yīng)出相對于電壓-電流轉(zhuǎn) 換器的傳感器側(cè)端子電壓的調(diào)零電位差的第一電壓，并且在第二狀態(tài)下將 施加電壓設(shè)置電路的施加電壓調(diào)整為用于感應(yīng)出相對于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的
傳感器側(cè)端子電壓的給定電位差(#0)的第二電壓。對在第一和第二狀態(tài)
下所獲取的輸出電路的輸出值做出響應(yīng)，校正值計算裝置將增益校正值計 算為電流校正值。
利用這種結(jié)構(gòu)，當(dāng)使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間具有給定的電位 差時，電壓生成部分允許將等于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差 的電壓輸入到施加電壓設(shè)置電路。在開關(guān)裝置的閉合狀態(tài)下允許將等于電 壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差的電壓輸入到施加電壓設(shè)置電路的
13步驟導(dǎo)致相對于電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓的給定電位差(#0)
的出現(xiàn)。
簡言之，利用上述的本發(fā)明，將電壓生成部分連接到施加電壓設(shè)置電 路的輸入作為使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間產(chǎn)生電位差的結(jié)構(gòu)。在這 種情況下，根據(jù)電壓生成部分的輸出電壓，在電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子 之間出現(xiàn)電位差，這使得能夠?qū)蓚€端子之間的電位差設(shè)置為任意級別。
進(jìn)一步，可以將測量氣體中特定成分的濃度調(diào)節(jié)到兩個或兩個以上的 基準(zhǔn)濃度(即，例如，用于檢測廢氣中的氧氣濃度化學(xué)計量狀態(tài)和大氣狀 態(tài))。在這種情況下，在調(diào)節(jié)到這種基準(zhǔn)濃度之后測量元件電流的步驟使得 能夠利用各自的測量值來獲取增益誤差。在不能將測量氣體中特定成分的 濃度調(diào)節(jié)到兩個或兩個以上的基準(zhǔn)濃度的另一情況下，有效的辦法是提供 電壓生成部分以允許將等于兩個端子之間的電位差的電壓輸入到施加電壓
設(shè)置電路。即，這種方法對于用于檢測例如廢氣中的NOx濃度的氣體傳感 器控制設(shè)備很有效。
利用本發(fā)明的當(dāng)前實(shí)施例，此外，校正值計算裝置可以優(yōu)選地在感測 元件保持在激活狀態(tài)下時計算電流校正值。這允許在連接到該感測元件的 端子部分處出現(xiàn)穩(wěn)定電壓，以使得能夠獲得具有更大精度的電流校正值。
可以適當(dāng)?shù)貙⒂糜趯?shí)現(xiàn)本發(fā)明的氣體傳感器控制設(shè)備應(yīng)用到下述類型 的氣體傳感器中。即，氣體傳感器可以優(yōu)選地包括由固態(tài)電解質(zhì)體和暴露 于氣體腔室的第一和第二單元(泵單元和傳感器單元)構(gòu)成的感測元件。 第一和第二單元中的每一個由形成在固態(tài)電解質(zhì)體上的一對電極構(gòu)成。該 第一單元將進(jìn)入到測量氣體腔室的測量氣體的氧氣量調(diào)整到給定的濃度等
級別，并且第二單元檢測具有經(jīng)該第一單元調(diào)整后的氧氣量的測量氣體的 特定成分。利用氣體傳感器控制設(shè)備，電壓-電流轉(zhuǎn)換器測量在該第二單元 中產(chǎn)生的第二單元電流以提供第二單元電流測量值，基于該第二單元電流 測量值，可以計算特定成分的濃度。在這種情況下，利用該第二單元所測 量的特定成分的濃度的示例包括除了氧氣外的NOx和HC等的濃度。在這 種情況下，用于檢測相關(guān)濃度的元件電流很弱。例如，用于檢測NOx濃度 操作的元件電流處在nA (毫微安培)數(shù)量級。在這一方面，利用具有上述 各個特征的該結(jié)構(gòu)，即使元件電流很弱，也可以適當(dāng)?shù)貦z測氣體濃度。利用本發(fā)明的氣體傳感器控制設(shè)備，具有上述第一和第二單元的氣體 傳感器(感測元件)可以進(jìn)一步優(yōu)選地包括用于檢測測量氣體腔室中測量 氣體的剩余氧氣濃度的第三單元(監(jiān)控器單元)。利用這種氣體傳感器，第 二和第三單元具有以公共電極形成的電極，從公共驅(qū)動器電路部分向該公 共電極施加電壓。在這種情況下，該氣體傳感器控制設(shè)備包括用于測量在 第二單元中產(chǎn)生的第二單元電流的第二單元電流檢測電路以及用于測量在 第三單元中產(chǎn)生的第三單元電流的第三單元電流檢測電路，并且第二和第 三單元結(jié)合有開關(guān)裝置。基于在利用開關(guān)裝置將第二和第三單元電流檢測 電路閉合的情況下所獲取的輸出電路的輸出值，第二單元電流檢測電路和 第三單元電流檢測電路可以計算用于校正第二單元電流的電流校正值和用 于校正第三單元電流的電流校正值。
利用這種結(jié)構(gòu)，單獨(dú)斷開或閉合分別位于用于第二和第三單元的電流 檢測電路中的開關(guān)裝置，從而使得能夠單獨(dú)計算各自電流檢測電路的特性 變化(電路誤差)。與將開關(guān)裝置設(shè)置在對于第二和第三單元共用的驅(qū)動器 電路部分中的結(jié)構(gòu)相比，這種結(jié)構(gòu)使得能夠以更高的精度計算電流校正值。
進(jìn)一步，可以優(yōu)選地提供故障確定裝置，用于基于來自校正值計算裝 置的用于校正元件電流的電流校正值來確定在感測元件和傳感器電路的至 少一個中出現(xiàn)的故障。即，在感測元件和傳感器電路的至少一個中出現(xiàn)故 障期間存在風(fēng)險，這是因?yàn)榘凑丈鲜龇绞接嬎愕碾娏餍Ｕ稻哂胁豢赡艿?值(利用校正不能解決的值)。因此，可以通過使用電流校正值來執(zhí)行故障 確定。
進(jìn)一步，可以優(yōu)選地提供電壓施加中斷裝置，用于在故障確定裝置確 定存在故障時中斷施加到感測元件的電壓。這抑制了在故障出現(xiàn)時對感測 元件連續(xù)施加電壓所導(dǎo)致的對感測元件的不利影響，從而保護(hù)該感測元件。
利用本發(fā)明的另一實(shí)施例，連接到氣體傳感器控制設(shè)備的氣體傳感器 包括感測元件，該感測元件由固態(tài)電解質(zhì)體和形成在該固態(tài)電解質(zhì)體上的 一對電極構(gòu)成，其中在接收到施加到該一對電極上的電壓時，根據(jù)測量氣 體中特定成分的濃度而產(chǎn)生元件電流。利用該氣體傳感器控制設(shè)備，利用 電壓-電流轉(zhuǎn)換器測量元件電流并且將利用該電壓-電流轉(zhuǎn)換器所測量的元 件電流的測量結(jié)果輸出作為來自輸出電路的元件電流測量值。進(jìn)一步，在來自施加電壓設(shè)置電路的施加電壓存在的情況下，基于從輸出電路輸出的
元件電流測量值來計算特定成分的濃度(氧氣濃度和NOx濃度等)。
利用本實(shí)施例，將開關(guān)裝置(如圖4所示的開關(guān)電路71)連接到電通 路中沒有元件電流流動的通路，通過該電通路，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器 側(cè)端子與施加電壓設(shè)置電路彼此電連接。在開關(guān)裝置關(guān)閉時，電壓-電流轉(zhuǎn) 換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零，在該情況下檢測感測元件的電動勢。 然后執(zhí)行操作以基于所檢測到的電動勢來確定感測元件和傳感器電路的至 少一個中的故障。此外，在基于元件電流測量值檢測氣體濃度時，可以瞬 時閉合開關(guān)裝置以檢測電動勢。
利用這種結(jié)構(gòu)，通過使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào) 零，可以建立一種沒有元件電流流動的狀態(tài)，即，元件電流"0nA的狀態(tài)， 并且可以適當(dāng)?shù)貦z測感測元件的電動勢。此時，如果感測元件遇到故障， 例如損害或活動性不足等或例如傳感器電路斷開等其它故障，則不能得到 合適的傳感器電動勢值。這使得能夠基于傳感器電動勢來進(jìn)行故障確定。
利用本實(shí)施例，將開關(guān)裝置設(shè)置在沒有元件電流流動的通路上。這可 以避免導(dǎo)致由于在開關(guān)裝置，即諸如電阻器等的半導(dǎo)體切換元件，上所感 應(yīng)的漏電流引起的元件電流測量值的誤差的不便。特別地，當(dāng)測量類似NOx 檢測電流的弱的元件電流時，由于開關(guān)裝置的存在，在電流測量值中出現(xiàn) 誤差是可能的。這種誤差導(dǎo)致對檢測氣體濃度結(jié)果的不利影響增強(qiáng)。然而， 可以避免這種不便。
利用上述的本實(shí)施例，可以正確地確定諸如傳感器中產(chǎn)生的斷開之類 的故障，同時使對檢測氣體濃度的精度的不利影響最小化。
進(jìn)一步，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差"被調(diào)零"的狀態(tài) 與流經(jīng)感測元件的電流是0nA或接近0nA的狀態(tài)相對應(yīng)。在這種情況下， 實(shí)際電路結(jié)構(gòu)由許多電路元件組成并且由于存在這樣的電路元件，可忽略 的電流流經(jīng)實(shí)際電路結(jié)構(gòu)。嚴(yán)格地講，盡管沒有一種情況代表"元件電流 0nA"的狀態(tài)，但是假設(shè)由于這種電路結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的這種可忽略的電流流動 的存在與電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差"被調(diào)零"的狀態(tài)相對 應(yīng)。
可以通過使用下述的該結(jié)構(gòu)將電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位
16差調(diào)零。即，可以將氣體傳感器控制設(shè)備優(yōu)選地設(shè)置在該結(jié)構(gòu)中，以使得 在開關(guān)裝置閉合時，在反饋回路中將電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓 輸入到施加電壓設(shè)置電路，以允許由該施加電壓設(shè)置電路所確定的設(shè)置電 壓等于傳感器側(cè)端子電壓。
作為檢測傳感器電動勢的方法，可以在開關(guān)裝置閉合時使用電壓-電流 轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓來優(yōu)選地檢測感測元件的電動勢?？商娲?， 在開關(guān)裝置閉合時測量感測元件的正端子和負(fù)端上處的電壓并且執(zhí)行操作 以基于測量電壓值之間的差值來檢測感測元件的電動勢。
利用上述這種結(jié)構(gòu)的任一種，可以適當(dāng)?shù)貦z測電動勢。然而，使用感 測元件的正端子和負(fù)端子的測量電壓值之間的差值的步驟使得能夠以較高 的精度可靠地檢測電動勢。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地將電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子經(jīng)由偏 置電阻器而連接到基準(zhǔn)電位部分(例如以接地為例)。簡言之，在諸如斷開 等的故障出現(xiàn)時，不生成傳感器電動勢，導(dǎo)致不確定的電路輸出。利用這 種結(jié)果，即使傳感器電動勢不存在，偏置電阻器也允許電壓-電流轉(zhuǎn)換器的 傳感器側(cè)端子電壓被保持在給定的電壓。因此，即使電動勢不存在，也可 以使電路輸出穩(wěn)定，以能夠檢測到傳感器電動勢作為故障值。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地提供第一反饋通路(如圖4中的反饋輸入 電通路L1)和第二反饋通路(如圖4中的反饋輸入電通路L2)，其中，該 第一反饋通路導(dǎo)致輸出電路的輸出在反饋回路中被輸入到施加電壓設(shè)置電 路并且該第二反饋通路導(dǎo)致電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓在反饋回 路中被輸出到施加電壓設(shè)置電路。在這兩種反饋通路中，第二反饋通路包 含開關(guān)裝置。在正常濃度檢測操作期間，僅該兩個反饋通路的第一反饋通 路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)以允許施加電壓設(shè)置電路根據(jù)在反饋回路中經(jīng)由該第一 反饋通路輸入的輸出電路的輸出來設(shè)置施加電壓。進(jìn)一步，在檢測電動勢 的操作期間，僅兩個反饋通路中的第二反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)以允許施 加電壓設(shè)置電路根據(jù)在反饋回路中經(jīng)由第二反饋通路輸入的電壓-電流轉(zhuǎn)換 器的傳感器側(cè)端子電壓來設(shè)置施加電壓。在這種情況下，電壓-電流轉(zhuǎn)換器 的兩個端子之間的電位差被調(diào)零。
利用這種結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)厥狗答佂非袚Q到施加電壓設(shè)置電路的步驟使得氣體濃度檢測被臨時中斷，從而檢測傳感器的電動勢。
利用本實(shí)施例，電壓跟隨器和同相放大器電路中的至少一個設(shè)置在電 電通路中，通過該電通路，電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子和施加電壓設(shè) 置電路彼此電連接。開關(guān)裝置設(shè)置在電壓跟隨器和同相放大器電路中的至 少一個與施加電壓設(shè)置電路之間的通路中。利用這種結(jié)構(gòu)，沒有元件電流 流經(jīng)電壓跟隨器或同相放大器電路中的至少一個。這使得能夠在電壓-電流 轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子與施加電壓設(shè)置電路之間的電通路中提供沒有元件 電流流動通路。此外，在這種通路中提供開關(guān)裝置防止了該開關(guān)裝置不利 地影響元件電流。
利用本實(shí)施例，施加電壓設(shè)置電路可以優(yōu)選地包括具有負(fù)反饋部分的 運(yùn)算放大器并且在負(fù)反饋部分的外側(cè)位置處將電壓-電流轉(zhuǎn)換器優(yōu)選地連接 到運(yùn)算放大器的輸出側(cè)。利用這種結(jié)構(gòu)，測量電壓-電流轉(zhuǎn)換器的至少傳感 器相對端子的電壓的步驟使得元件電流能夠被檢測到。此外，可以控制運(yùn) 算放大器的輸出端子電壓，即電壓-電流轉(zhuǎn)換器的傳感器相對端子處的電壓。 相對于傳感器側(cè)端子電壓而言，這能夠增大或減小傳感器相對側(cè)端子電壓。 換言之，可以控制電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差。因此，這可 以使電壓-電流轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地提供端子電壓測量裝置，用于測量連接到 感測元件的各自電極的端子部分處的電壓。進(jìn)一步，不僅可以基于電動勢 優(yōu)選地做出故障確定，而且可以基于感測元件和傳感器電路中的至少一個 并基于各自端子電壓而優(yōu)選地做出故障確定。這導(dǎo)致不僅能夠檢測諸如擊 穿、活動性不足和斷開等的故障而且能夠檢測諸如電力不足和感測元件的 電極接地短路的其它故障。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地提供電壓施加中斷裝置，用于當(dāng)做出存在 故障的確定時中斷到感測裝置的設(shè)置電壓的施加。這消除由于在出現(xiàn)故障 時連續(xù)先感測元件施加電壓導(dǎo)致的對該感測元件的不利影響，從而使該感 測元件有利地得到保護(hù)。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地在感測元件處在活動性狀態(tài)的情況下執(zhí)行 電動勢檢測。即，在例如氣體傳感器啟動期間，將該感測元件提升到給定 的活動性溫度以處在完全活動性的狀態(tài)，隨后可以適當(dāng)?shù)貦z測傳感器電動勢。利用本發(fā)明，可以使由感測元件的不活動性(即，在較低的溫度下) 引起的檢測電動勢的缺陷最小化。這使得能夠以更大的精度進(jìn)行故障檢測。 利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地將氣體傳感器控制設(shè)備應(yīng)用到上述的氣體 傳感器中。即，氣體傳感器包括具有暴露于氣體腔室的第一和第二單元的 感測元件。第一和第二單元中的每一個由形成在固態(tài)電解質(zhì)體上的一對電 極構(gòu)成。該第一單元將進(jìn)入到測量氣體腔室的測量氣體的氧氣量調(diào)整到給 定的濃度級別，并且第二單元檢測具有經(jīng)該第一單元調(diào)整后的氧氣量的測
量氣體的特定成分(NOx濃度)。利用氣體傳感器控制設(shè)備，電壓-電流轉(zhuǎn) 換器測量出現(xiàn)在第二單元中的元件電流。在這種情況下，利用該第二單元 所測量的特定成分包括除了氧氣外的NOx和HC等的濃度，并且用于檢測 這種濃度的元件電流很弱。例如，檢測NOx濃度時的元件電流處于nA(毫 微安培)數(shù)量級。利用上述的各個特性特征，即使元件電流很弱，仍然可 以適當(dāng)?shù)貦z測氣體濃度。
利用本實(shí)施例，可以優(yōu)選地在測量氣體腔室中的氧氣濃度處在表示給 定濃度級別的較低氧氣級別的情況下執(zhí)行電動勢檢測。即，在例如氣體傳 感器啟動期間，在使第一單元從測量氣體腔室中適當(dāng)?shù)嘏欧胚^多的氧氣時， 可以適當(dāng)?shù)貦z測傳感器電動勢。因此，可以消除存在于測量氣體腔室中的 過量氧氣(氧氣過量)所引起的檢測電動勢中的缺陷。這使得能夠以更大 的精度執(zhí)行故障檢測。
可以認(rèn)識到，測量氣體腔室中的剩余氧氣濃度遞增地變化以使第二單 元的電動勢根據(jù)剩余的氧氣濃度而變化。利用本實(shí)施例，因此，可以優(yōu)選 地檢測存在于測量氣體腔室中的的剩余氧氣濃度并且根據(jù)存在于測量氣體 腔室中的所檢測到的剩余氧氣濃度而將故障確定值設(shè)置為可變級別。然后， 基于故障確定值和所檢測到的電動勢來執(zhí)行關(guān)于感測元件和傳感器電路中 的至少一個的故障確定。因此，即使測量氣體腔室中的剩余氧氣濃度遞增 地變化，也可以以較高的精度實(shí)現(xiàn)故障確定。


本發(fā)明的這些和其它特征以及優(yōu)點(diǎn)將通過附圖所說明的如下描述而變
得顯而易見，其中圖1是表示根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備的截面圖，該氣
體傳感器控制設(shè)備被應(yīng)用到包括NOx傳感器和NOx傳感器電路的氣體傳感
器中，同吋說明了NOx傳感器的元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)；
圖2是表示圖1中所示的NOx傳感器電路的輪廓的方框圖3是表示圖2中所示的傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分的
電路結(jié)構(gòu)圖4是表示圖2中所示的Is檢測電路部分的電路結(jié)構(gòu)圖； 圖5是表示圖2中所示的傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分的電 路結(jié)構(gòu)圖6是表示要由圖1中所示的微計算機(jī)執(zhí)行的用于傳感器輸出校正值
的計算例程的流程圖7A是表示傳感器電流Is與NOx濃度之間關(guān)系的圖7B是表示監(jiān)控器單元電流Im與NOx濃度之間關(guān)系的圖7C是表示偏移誤差(Is-Im)與NOx濃度之間關(guān)系的圖8是表示要由圖1中所示的微計算機(jī)執(zhí)行的故障檢測例程的流程圖9A是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備的Is檢測電路
部分的電路結(jié)構(gòu)圖9B是表示當(dāng)以變化頻率施加交流電壓時對傳感器單元的阻抗的頻
率依賴結(jié)果；
圖9C是表示傳感器單元的操作狀態(tài)的波形圖10是表示要由圖9中所示的第二實(shí)施例的Is檢測電路部分執(zhí)行的用
于傳感器輸出校正值的計算例程的流程圖，
圖11A是表示傳感器單元電流Is與NOx濃度之間的關(guān)系圖，并且示出
了增益誤差；
圖llB是表示監(jiān)控器單元電流Im與NOx濃度之間的關(guān)系圖，并且示 出了增益誤差；
圖IIC是表示偏移誤差(Is-Im)與NOx濃度之間的關(guān)系圖，并且示出 了增益誤差；
圖12是根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備的Is檢測電路部 分的電路結(jié)構(gòu)圖;
20圖13是表示圖1中所示的氣體感測元件的第一修改形式的氣體感測元 件的截面圖14是沿圖13中的A-A線提取的氣體感測元件的截面圖15是沿圖13和圖14中的B-B線提取的氣體感測元件的截面圖16是表示連接到NOx傳感器電路的第一修改形式的氣體感測元件
的截面圖，其中該NOx傳感器電路包括傳感器電路、泵電路和監(jiān)控器電路; 圖17是表示圖1中所示的氣體感測元件的第二修改形式的氣體感測元
件的截面圖18是沿圖17中的C-C線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖19是沿圖17和圖18中的D-D線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖20是表示圖1中所示的氣體感測元件的第三修改形式的氣體感測元 件的截面圖21是沿圖20中的E-E線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖22是沿圖20和21中的F-F線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖23是表示圖1中所示的氣體感測元件的第四修改形式的氣體感測元 件的截面圖24是沿圖23中的G-G線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖25是沿圖23和圖24中的H-H線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖26是表示圖1中所示的氣體感測元件的第五修改形式的氣體感測元 件的截面圖27是沿圖26中的I-I線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖28是沿圖26和圖27中的J-J線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖29是表示圖1中所示的氣體感測元件的第六修改形式的氣體感測元 件的截面圖30是沿圖29中的K-K線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖31是沿圖29和圖30中的L-L線提取的氣體感測元件的截面圖； 圖32是表示圖1中所示的氣體感測元件的第七修改形式的氣體感測元 件的截面圖33是沿圖32中的M-M線提取的氣體感測元件的截面圖34是沿圖32和圖33中的N-N線提取的氣體感測元件的截面圖；圖35是表示圖1中所示的氣體感測元件的第八修改形式的氣體感測元 件的截面圖36是沿圖35中的P-P線提取的氣體感測元件的截面圖；以及 圖37是沿圖35和圖36中的Q-Q線提取的氣體感測元件的截面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在，下面將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明各個實(shí)施例的氣體傳感器 控制設(shè)備。然而，將本發(fā)明被理解為并不限于下面描述的這些實(shí)施例而且 可以結(jié)合其它公知技術(shù)或與所述公知技術(shù)具有等效功能的的其它技術(shù)來實(shí) 現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)概念。
在下列描述中，應(yīng)該理解，諸如"右側(cè)"、"左側(cè)"、"基端部分"、"前 端部分"、"頂部"、"底部"、"上面"，"下面"、"前面"、"后面"、"傳感器 側(cè)端子"、"傳感器的相對側(cè)端子"、"傳感器側(cè)端子電壓"、"傳感器的相對 側(cè)端子電壓"等的術(shù)語是方便用詞并且不應(yīng)該被理解為限制性術(shù)語。
如這里所使用的，術(shù)語"傳感器側(cè)端子"是指設(shè)置在靠近傳感器單元 的一個位置處的電流-電壓轉(zhuǎn)換器的一個端子，而術(shù)語"傳感器的相對側(cè)端 子"是指該電流-電壓轉(zhuǎn)換器的另一端子，即，設(shè)置在與傳感器單元相對的 另一位置處的端子。類似地，術(shù)語"傳感器側(cè)端子電壓"是指出現(xiàn)在電流-電壓轉(zhuǎn)換器的一個端子處的端子電壓，而術(shù)語"傳感器的相對側(cè)端子電壓" 是指在電流-電壓轉(zhuǎn)換器的另一端子處的端子電壓。
現(xiàn)在，將參考附圖詳細(xì)描述根據(jù)本發(fā)明一個實(shí)施例的氣體傳感器控制
器°
下面參考NOx濃度檢測系統(tǒng)來描述本實(shí)施例，該NOx濃度檢測系統(tǒng)利 用安裝在車上引擎的排氣管上的NOx傳感器，設(shè)置該NOx傳感器以對從該 NOx傳感器傳送的輸出做出響應(yīng)而檢測廢氣的NOx濃度。進(jìn)一步，車上引 擎可以包括例如柴油機(jī)。該柴油機(jī)具有排氣管，在該排氣管上攜帶有廢氣 凈化設(shè)備，該廢氣凈化設(shè)備包括NOx凈化催化劑(NOx阻塞減少類型的催 化劑和選擇性減少催化劑等)。基于NOx傳感器的輸出進(jìn)行廢氣凈化設(shè)備 的故障診斷。在NOx凈化催化劑的下游區(qū)域中的排氣管上安裝該NOx傳感 器以傳送該輸出。對來自NOx傳感器的輸出做出響應(yīng)以計算NOx凈化催化
22劑的NOx濃度(NOx凈化率)。如果發(fā)現(xiàn)所得到的濃度超過給定的故障確 定值，則做出NOx凈化催化劑已失效的診斷。
首先，下面參考附圖中的圖1詳細(xì)描述形成NOx傳感器的氣體感測元 件10。
如圖1所示，感測元件IO采用具有如圖1所示的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的所謂疊層 (stack)類型的結(jié)構(gòu)。應(yīng)該理解圖1中的橫向方向代表感測元件IO的縱向 方向。感測元件10具有代表元件基端部分(適于被安裝在排氣管上)的右 側(cè)和代表元件前端部分的右側(cè)。
感測元件10具有包括泵單元、傳感器單元和監(jiān)控器單元的三單元結(jié)構(gòu)。 按結(jié)構(gòu)堆疊這些單元以形成組件。此外，與泵單元類似，監(jiān)控器單元具有 從測量氣體排放氧氣的功能，并且因而，該監(jiān)控器單元通常被稱為輔助泵 單元或第二泵單元。
利用感測元件10，第一和第二電解質(zhì)體11和12由諸如氧化鋯等的氧 離子傳導(dǎo)材料制成并且形成為類似薄片的結(jié)構(gòu)。第一和第二電解質(zhì)體11和 12經(jīng)隔板13而彼此堆疊以彼此間隔開給定距離，該隔板13由諸如氧化鋁 等的絕緣材料制成。其中，設(shè)置在上方區(qū)域中的第一電解質(zhì)體ll具有形成 有廢氣進(jìn)氣口入口 lla的前端部分，經(jīng)由該廢氣進(jìn)氣口入口 lla，在氣體感 測元件10的前端部分周圍區(qū)域彌漫的廢氣被引導(dǎo)到在第一和第二電解質(zhì)體 11和12之間限定的第一腔室14。該第一腔室14經(jīng)由閥部分15與第二腔 室16連通，其中該第二腔室16限定在第一和第二電解質(zhì)體11和12之間， 并且閥部分15位于第一和第二腔室14和16之間。第一電解質(zhì)體11具有 頂部表面，該頂部表面包括設(shè)置有用于將廢氣提取到第一腔室14中并且從 該第一腔室14排放廢氣的多孔擴(kuò)散層17的一半以及設(shè)置有具有凹陷部分 19a的絕緣層19的另一半，該凹陷部分19a用于限定作為基準(zhǔn)氣體分隔室 的大氣通道18。
進(jìn)一步，第二固態(tài)電解質(zhì)體12具有底表面，其上設(shè)置有具有凹陷部分 21a的絕緣層21，該凹陷部分21a用于限定大氣通道22。將加熱器(加熱 體)23嵌入到絕緣層21中用于加熱整個感測元件10。利用這種結(jié)構(gòu)，加 熱器23加熱泵單元31、監(jiān)控器單元34和傳感器單元35。這有助于激活這 些單元31、 34和35。從外部電源(未示出)向加熱器23提供電功率以生成熱能。
設(shè)置在較低區(qū)域中的第二固態(tài)電解質(zhì)體12具有面向第一腔室14設(shè)置 的泵單元31。該泵單元31用于將廢氣中的氧氣引導(dǎo)到該第一腔室14中或 排放該氧氣，以使得該第一腔室14中剩余的氧氣濃度被調(diào)整為給定濃度。 該泵單元31包括一對上電極32和下電極33，第二固態(tài)電解質(zhì)體12設(shè)置在 這兩個電極之間。面向第一腔室14的上電極32用作NOx非活性電極(難 以分解NOx的電極)。該泵單元31對經(jīng)電極32和33所施加的電壓做出響 應(yīng)而工作以使存在于該第一腔室14中的氧氣被分解并且通過電極33排放 到大氣通道22。
進(jìn)一步，設(shè)置在上側(cè)上的第一固態(tài)電解質(zhì)體ll具有基端部分，該基端 部分形成有監(jiān)控器單元34和傳感器單元35。在泵單元31排放剩余氧氣之 后，該監(jiān)控器單元34在第二腔室16中產(chǎn)生取決于剩余氧氣濃度的電動勢 或?qū)κ┘与妷鹤龀鲰憫?yīng)而生成電流輸出。傳感器單元35基于存在于該第二 腔室16中的氣體來檢測NOx濃度。
設(shè)置在并列位置并彼此靠近的監(jiān)控器單元34和傳感器單元35包括面 對第二腔室16設(shè)置的電極36和37以及面對大氣通道18設(shè)置的公共電極 38。即，監(jiān)控器單元34采取包括第一電解質(zhì)體11以及電極36和公共電極 38的結(jié)構(gòu)形式，其中電極36與公共電極38設(shè)置在相對的位置中并且中間 介入有第一電解質(zhì)體ll。同樣，傳感器單元35采取包括第一電解質(zhì)體11 以及電極37公共電極38的結(jié)構(gòu)形式，其中電極37與公共電極38設(shè)置在 相對的位置中并且中間介入有第一電解質(zhì)體11。監(jiān)控器單元34的電極36 (設(shè)置在面向第二腔室16的位置)由對NOx沒有活性的諸如Au-Pt之類的 貴金屬制成。傳感器單元35的電極37 (設(shè)置在面向第二腔室16的位置) 由對NOx有活性的諸如鉑Pt和銠Rh等的貴金屬制成。盡管為了方便起見， 圖1示出了設(shè)置在相對于廢氣流向的前方和后方以并排結(jié)構(gòu)設(shè)置的監(jiān)控器 單元34和傳感器單元35，但是應(yīng)該理解，實(shí)際上，監(jiān)控器單元34和傳感 器單元35可以位于等同于廢氣流向的位置中。
這里，在感測元件10的縱向上并排放置泵單元31、監(jiān)控器單元34和 傳感器單元35。因此，該泵單元31位于感測元件10的前端部分處，而該 監(jiān)控器單元34和傳感器單元35位于感測元件10的基端部分(適于被安裝在排氣管上)處。
利用上述這種結(jié)構(gòu)的感測元件10，經(jīng)多孔擴(kuò)散層17和廢氣進(jìn)氣口入口 11a將廢氣引導(dǎo)到第一腔室14。當(dāng)廢氣通過泵單元31附近時，將泵單元施 加電壓Vp施加在泵單元電極32和33的兩端。在施加這種電壓期間，發(fā)生 分解反應(yīng)以使泵單元31根據(jù)第一腔室14中的氧氣濃度來提取或排放氧氣。 當(dāng)這發(fā)生時，面向第一腔室14的第一泵單元電極32由NOx非活性電極組 成。因此，泵單元31不能分解廢氣中的NOx，而僅允許氧氣被分解并且從 電極33排放到大氣通道22。利用泵單元31的這種功能，第一腔室14被保 持在具有給定低氧氣濃度的狀況中。
通過泵單元31附近的氣體(氧氣濃度已被調(diào)節(jié))流入第二腔室16，使 監(jiān)控器單元34根據(jù)氣體中剩余的氧氣濃度而生成輸出。在從監(jiān)控器單元電 源Vm向監(jiān)控器單元電極36和38的兩端施加給定的監(jiān)控器單元施加電壓 時，將監(jiān)控器單元34的輸出檢測作為監(jiān)控器單元電流Im。進(jìn)一步，從傳感 器單元電源Vs向傳感器單元電極37和38施加給定的傳感器單元電壓允許 氣體中的NOx被分解而減少，將所得到的氧氣經(jīng)由電極38而排放到大氣 通道18。當(dāng)這發(fā)生時，電流(傳感器單元電流I》流經(jīng)傳感器單元35，從 而檢測廢氣中的NOx濃度。
為此，將感測元件10連接到NOx傳感器電路40。該NOx傳感器電路 40包括用作執(zhí)行傳感器控制主體的微計算機(jī)41以及控制電路部分(將在下 面參考圖2進(jìn)行描述)。該微計算機(jī)41和控制電路部分控制各個電壓，包 括施加到泵單元31的電極32和33兩端的泵單元電壓Vp ;施加到監(jiān)控 器單元34的電極36和38兩端的監(jiān)控器單元電壓Vm以及施加到傳感器單 元35的電極37和38兩端的傳感器單元電壓Vs。微計算機(jī)41被順序施加 有關(guān)于泵單元電流Ip、監(jiān)控器單元電流Im和傳感器單元電流Is的各種測 量值，根據(jù)這些參數(shù)的測量值，該微計算機(jī)41計算氧氣濃度和NOx濃度。
圖2是表示NOx傳感器電路40的輪廓的方框圖。NOx傳感器電路40 不僅包括圖中所示的各種電路,而且包括為了簡要說明而在圖2中未示出的
加熱器驅(qū)動器電路。
如圖2所示，NOx傳感器電路40具有連接到泵單元31的電極32和 33的正端子PS+和負(fù)端子PS-、連接到監(jiān)控器單元34和傳感器單元35的公共電極38的公共端子COM+以及連接到監(jiān)控器單元34和傳感器單元35的 電極36和37的負(fù)端子MS-和SS-。
將泵單元驅(qū)動器電路部分42連接到泵單元31的正端子PS+以可變地 設(shè)置要施加到泵單元31的泵單元施加電壓。將Ip檢測電路部分43連接到 泵單元31的負(fù)端子PS-，用于檢測泵單元電流Ip。泵單元驅(qū)動器電路部分 42根據(jù)利用Ip檢測電路部分43所檢測的泵單元電流Ip來控制泵單元施加 電壓。將利用Ip檢測電路部分43所檢測的泵單元電流Ip順序輸入到微計 算機(jī)41。
進(jìn)一步，將傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分44連接到傳感器 單元35和監(jiān)控器單元34的正電位側(cè)的公共端子COM+以向其施加公共電 壓。將Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46連接到傳感器單元35和 監(jiān)控器單元34的負(fù)端子SS-和MS-，分別用于檢測傳感器單元電流Im和監(jiān) 控器單元電流Im。將Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46連接到微 計算機(jī)41 。 Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46計算根據(jù)傳感器單元 電流Is和監(jiān)控單元電流Im所測量的電流測量值VS1和VM1 ，該電流測量 值VS1和VM1被順序輸入到微計算機(jī)41 。此外，Is檢測電路部分45和Im 檢測電路部分46在各自端子COM+、 SS-和MS-處測量端子電壓，該端子 電壓被順序施加到微計算機(jī)41 。
將傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48連接到傳感器-單元/監(jiān)控 器-單元驅(qū)動器電路部分44，用于中斷到監(jiān)控器單元34和傳感器單元35的 電壓施加以在出現(xiàn)故障等期間保護(hù)該監(jiān)控器單元34和該傳感器單元35。
下面將詳細(xì)描述形成NOx傳感器電路40 —部分的各個電路部分。然 而，利用本實(shí)施例，泵單元31具有與現(xiàn)有技術(shù)相同的電路結(jié)構(gòu)，因此，這 里省略了泵單元驅(qū)動器電路部分42和Ip檢測電路部分的細(xì)節(jié)。
圖3是傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分44的電路結(jié)構(gòu)圖。在 圖3中，將包括兩個電阻器的分壓器電阻電路51連接到恒壓源(處在恒定 電壓Vcc)并且將分壓VX1施加到運(yùn)算放大器52的"+"輸入端子。該運(yùn) 算放大器52具有輸出端子，公共端子COM+經(jīng)由開關(guān)電路53和保護(hù)電阻 器54連接到該輸出端子。該運(yùn)算放大器52具有負(fù)反饋部分，其中提供有 保護(hù)電阻器55。將電容器56連接到公共端子COM+，用于解決ESD (靜
26電放電)問題。
進(jìn)一步，將電壓跟隨器58經(jīng)由保護(hù)電阻器57連接到與公共端子COM+ 處于相同電壓的結(jié)點(diǎn)Al。利用傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分 44，將公共端子COM+處的電壓輸出作為公共端子電壓Vcom。
開關(guān)電路53采取這樣的結(jié)構(gòu)形式對從傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù) 電路部分48輸入的電壓施加中斷信號SG1做出響應(yīng)而接通和斷開(閉合或 打開)，這將在下文中進(jìn)行詳細(xì)描述。將電壓施加中斷信號SG1經(jīng)由反相電 路59施加到開關(guān)電路53。利用這種結(jié)構(gòu)的電路，如果SG1="低"(在允許 電壓施加的情況下)，則閉合開關(guān)電路53以允許分壓器電阻電路51向公共 端子COM+施加分壓VXl。此外，如果SGl-"高"(在中斷電壓施加的情 況下)，則打開該開關(guān)電路53以中斷分壓VX1到公共端子COM+的施加。
接下來將參考圖4描述Is檢測電路45的結(jié)構(gòu)。在圖4中，將傳感器單 元35的負(fù)端子SS-連接到串聯(lián)連接的電流-電壓轉(zhuǎn)換器61和差分放大器電 路62。在這種情況下，特別地，將電流-電壓轉(zhuǎn)換器61連接到用于代表形 成差分放大器電路62的運(yùn)算放大器的輸出的負(fù)反饋部分的外側(cè)(反饋系統(tǒng) 的外側(cè))。該差分放大器電路62具有連接到電阻器分壓電路63的"+"輸 入端子以及連接有負(fù)反饋輸入電通路Ll的"-"輸入端子，該電阻器分壓 電路63適于利用兩個電阻器對恒定電壓Vcc進(jìn)行分壓。
進(jìn)一步，在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子(結(jié)點(diǎn)B1和B2)中，將 連接到負(fù)端子SS-的結(jié)點(diǎn)Bl (下文中將其稱為"電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳 感器側(cè)端子")經(jīng)由保護(hù)電阻器64連接到電壓跟隨器65，該電壓跟隨器65 的輸出端子連接到差分放大器電路66的"+"輸入端子。此外，將結(jié)點(diǎn)B2 (下文中將其稱為"電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器相對側(cè)端子")連接到該 差分放大器電路66的"-"輸入端子。因此，如果傳感器單元電流Is流經(jīng) 電流-電壓轉(zhuǎn)換器61，則取決于傳感器單元電流Is，在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61 的兩個端子(即，兩個結(jié)點(diǎn)Bl和B2)之間存在電位差。利用差分放大器 電路66以給定的放大倍數(shù)對該電位差進(jìn)行放大，并且隨后將該電位差輸出 作為傳感器-單元電流測量值VSl。
將用于代表差分放大器電路66的輸出的傳感器-單元電流測量值VS經(jīng) 由負(fù)反饋輸入電通路L1輸入到差分放大器電路62的"-"輸入端子。為了更具體地描述，該差分放大器電路66用作"輸出電路"并且差分放大器電 路62用作"施加電壓設(shè)置電路"。差分放大器電路66的輸出端子以及差分 放大器電路62的"-"輸入端子經(jīng)由負(fù)反饋輸入電通路L1而彼此連接。開 關(guān)電路67設(shè)置在負(fù)反饋輸入電通路L1中以連接或斷開(閉合或打開)電 通路Ll，該開關(guān)電路67還連接有包括電阻器和電容器的用于消除噪聲的 LPF (低通濾波器)68。在正常檢測操作中，開關(guān)電路67保持閉合，從而 允許代表該差分放大器電路66的輸出的傳感器-單元電流測量值VS1被以 反饋形式輸入到差分放大器電路62。此外，該開關(guān)電路67包括諸如以晶體 管等為例的半導(dǎo)體開關(guān)(與下述的各個開關(guān)電路中的每一個中采用相同的
結(jié)構(gòu))。
電壓跟隨器65生成相等于結(jié)點(diǎn)Bl處的電壓(即，傳感器單元35的負(fù) 端子SS-上的電壓)的輸出電壓，該輸出電壓作為傳感器-單元端子電壓VS2 輸出。
此外，電壓跟隨器65的輸出端子以及差分放大器電路62的"+ "輸入 端子經(jīng)由負(fù)反饋輸入電通路L2而彼此連接，該負(fù)反饋輸入電通路L2連接 到開關(guān)電路71，用于連接或斷幵(閉合或打開)該負(fù)反饋輸入電通路L2。 在正常操作中，該開關(guān)電路71保持打開，從而允許代表該電壓跟隨器65 的輸出的傳感器-單元電流測量值VS2以反饋形式被輸入到差分放大器電路 62。這里，該電壓跟隨器65具有增大的輸入阻抗并且沒有元件電流流到該 電壓根據(jù)器65的輸出。因此，可以將負(fù)反饋輸入電通路L2指定為沒有元 件電流流動的元件-電流流動禁止通路。該開關(guān)電路71設(shè)置在元件-電流流 動禁止通路L2中。
連接到負(fù)反饋輸入電通路Ll和L2的開關(guān)電路67和71具有這樣的結(jié) 構(gòu)對從微計算機(jī)41傳輸?shù)木哂懈呋虻碗娖降碾娐非袚Q信號SG2做出響應(yīng) 而接通或斷開(閉合或打開)。該電路切換信號SG2被原樣地輸入到開關(guān)電 路67并且還經(jīng)反相電路72輸入到開關(guān)電路71。利用本實(shí)施例，如果SG2= "高"，則閉合開關(guān)電路67并且斷開開關(guān)71。此時，僅負(fù)反饋輸入電通路 Ll和L2中的負(fù)反饋輸入電通路L1進(jìn)入到接通狀態(tài)。相反，如果SG2-"低"， 則斷開開關(guān)電路67并且閉合開關(guān)71。此時，僅負(fù)反饋輸入電通路L1和L2 中的負(fù)反饋輸入電通路L2進(jìn)入到接通狀態(tài)。在使斷開和閉合時序相反的模式下斷開和閉合開關(guān)電路67和71，從而使僅負(fù)反饋輸入電通路Ll和L2 中的一個進(jìn)入到接通狀態(tài)。
當(dāng)在正常操作期間檢測NOx濃度時，即當(dāng)測量根據(jù)廢氣的NOx濃度而 流動的傳感器電流Is時，微計算機(jī)41輸出處于高電平的電路切換信號SG2。 在這種情況下，差分放大器電路66的輸出VS1經(jīng)由負(fù)反饋輸入電通路Ll 而被輸入到差分放大器電路62的"-"輸入端子。然后，根據(jù)差分放大器電 路66的輸出VS1來放大差分放大器電路62的輸出。此時，傳感器單元電 流Is越大，輸出VS1也更大，同時伴隨有差分放大器電路62的輸出減小。
相反，如果電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子之間的電位差被調(diào)零并且流 經(jīng)該電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的電流是0nA，則微計算機(jī)41輸出低信號作為電 路切換信號SG2。這使電壓跟隨器的輸出VS2經(jīng)由負(fù)反饋輸入電通路L2 而被輸入到差分放大器電路62的"+"輸入端子。此時，該差分放大器電 路62將電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的與傳感器相對設(shè)置的端子(結(jié)點(diǎn)B2)處的電 壓調(diào)節(jié)到與更靠近該傳感器的端子(結(jié)點(diǎn)B1)處的電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的 電壓相同的電壓。這使電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子之間的電位差被調(diào)零 并具有沒有電流流經(jīng)該電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的所得到的狀態(tài)(g卩，表示為電 流0nA的狀態(tài))。在這種情況下，沒有電流流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的狀態(tài) 代表NOx濃度-0ppm的狀態(tài)。如果存在偏移誤差，則在輸出值中出現(xiàn)以該 誤差為值的偏差。因此，可能基于這種輸出而得到偏移誤差。
進(jìn)一步，來自微計算機(jī)41的作為電路切換信號SG2的低信號輸出的存 在導(dǎo)致沒有電流流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的狀態(tài)。此時，在傳感器單元35 的負(fù)端子SS-處出現(xiàn)其電平取決于傳感器電動勢的電壓，并且測量該電壓作 為傳感器-單元端子電壓VS2。
在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子(結(jié)點(diǎn)B1和B2)中，將結(jié)點(diǎn)B1連 接到偏置電流電阻器75和ESD (靜電放電)保護(hù)電容器76。即，偏置電流 電阻器75和ESD保護(hù)電容器76具有連接到電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器 側(cè)端子(Bl)的端子以及連接到地的其它端子。偏置電流電阻器75具有例 如1MQ或更大的電阻值。
這里，利用連接到結(jié)點(diǎn)B1 (電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器側(cè)端子)的 偏置電流電阻器75，當(dāng)在諸如斷開或元件破裂之類的故障存在的情況下以上述方式測量電動勢時，可以將傳感器-單元電流測量值VS2設(shè)置為固定電 壓。換言之，可以獲取一值，用于解決代表傳感器-單元電流測量值VS2的 電動勢中的故障。即，在諸如斷開或元件破裂之類的故障出現(xiàn)的情況下， 沒有電動勢出現(xiàn)在傳感器單元35中并且傳感器-單元電流測量值VS2(附圖 中結(jié)點(diǎn)Bl處的電壓)是不確定的。然而，利用具有包含偏置電流電阻器 75的這種結(jié)構(gòu)的Is檢測電路部分45，即使在傳感器電動勢不存在的情況下， 仍然可以將傳感器-單元電流測量值VS2保持在給定電壓(該電壓取決于偏 置電流電阻器75的電阻值)。因此，即使電動勢不存在，傳感器-單元電流 測量值VS2也是穩(wěn)定的，這能夠以異常值的形式檢測傳感器電動勢。
利用當(dāng)前實(shí)施例，進(jìn)一步，偏置電流電阻器75具有連接到地的低電勢 側(cè)。本發(fā)明并不限于這樣的電路連接并且可以采取一種結(jié)構(gòu)，以使得將偏 置電流電阻器75的低電勢側(cè)連接到被保持在固定電壓電勢的基準(zhǔn)電勢。例 如，其它可選的結(jié)構(gòu)可以包括偏置電流電阻器75具有連接到電源電路的一 端的結(jié)構(gòu)以及偏置電流電阻器75的一段連接到輸出給定電壓的電路部分的 結(jié)構(gòu)，其中該給定電壓的范圍在地電壓和電源電壓之間。
利用按照這種結(jié)構(gòu)提供的偏置電流電阻器75，電流流經(jīng)偏置電流電阻 器75并伴隨有由流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61導(dǎo)致的電流量減小。因此，可以 將Is檢測電路部分45設(shè)置在電路結(jié)構(gòu)中，原因在于初始測量流經(jīng)電流-電 壓轉(zhuǎn)換器61的電流量允許補(bǔ)償測量電流的分量。
省略了相同部分:冗余說明和描述。即，如圖4所示:電路也可J原封不 動地作為Im檢測電路部分46。如圖2所示，微計算機(jī)41輸出用于監(jiān)控器 單元的被施加到Im檢測電路部分46的電路切換信號SG3。在接收到電路 切換信號SG3時，Im檢測電路部分46切換以從下述兩種狀態(tài)中選擇一種 狀態(tài)即，從正常操作中檢測剩余氧氣濃度的狀態(tài)以及電流-電壓轉(zhuǎn)換器的 兩個端子之間的電位差被調(diào)零(按照與對電路切信號SG2做出響應(yīng)而執(zhí)行 操作的相同方式)的狀態(tài)(電流二0nA的狀態(tài))。此外，如圖4所示，設(shè)置 Im檢測電路部分46以輸出代替?zhèn)鞲衅?單元電流測量值VS1的監(jiān)控器-單元 電流測量值VM1，同時輸出代替?zhèn)鞲衅?單元端子電壓VS2的監(jiān)控器單元 端子電壓VM2。在電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零的情況下，可以基于監(jiān)控器單元端子電壓VM2來測量監(jiān)控器單元電動勢。
如圖2所示，微計算機(jī)41施加有從Is檢測電路部分45輸出的傳感器-單元電流測量值VS2以及從Im檢測電路部分46輸出的監(jiān)控器-單元電流測 量值VS1，基于上述值，微計算機(jī)41計算(Is-Im)值。然后，基于(Is-Im) 值，微計算機(jī)41進(jìn)一步計算廢氣中的NOx濃度。
接下來，下面將參考圖5詳細(xì)地描述傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電 路部分48的結(jié)構(gòu)。傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48檢測出現(xiàn)在 傳感器單元35和監(jiān)控器單元34的正電勢側(cè)和負(fù)電勢側(cè)處該傳感器單元35 和監(jiān)控器單元34的電路部分(連接到正電勢公共端子COM+和負(fù)端子SS-和MS-的電路區(qū)域)的電力不足或故障以及接地短路或故障。利用本實(shí)施 例，傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48對應(yīng)于"電壓施加中斷裝置"。 在圖5中，傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48施加有從傳感器 -單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分44輸出的公共端子電壓Vcom，從Is檢 測電路部分45輸出的傳感器-單元端子電壓VS2以及從Im檢測電路部分 46輸出的監(jiān)控器-單元端子電壓VM2。此外，保護(hù)電路部分48施加有從微 計算機(jī)41傳輸?shù)墓收洗_定信號SG4。盡管下面將詳細(xì)地描述故障確定信號 SG4，但是簡而言之，故障確定信號SG4采取二進(jìn)制信號形式，SG4 高" 用于正常操作并且SG4-"低"用于發(fā)生故障時，進(jìn)一步，對施加到傳感器 -單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分44的各個輸入信號做出響應(yīng)，傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48生成電壓施加停止信號SG1。下面將描 述該細(xì)節(jié)。
傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48包括5個比較電路81-85， 其按照下述方式操作。
第一比較電路81對公共端子電壓Vcom (在正常操作期間是4.4V)與 基準(zhǔn)電壓Vrefl (例如，4.6V)進(jìn)行比較。在這種情況下，在正常操作期間， VconKVrefl并且該第一比較電路81提供"低"輸出。相反，在發(fā)生故障 期間，Vcom〉Vrefl并且該第一比較電路81提供另一 "高"輸出。例如， 如果在連接到公共端子COM+的區(qū)域出現(xiàn)電力不足，則該第一比較電路81 生成"高"輸出。
第二比較電路82對傳感器-單元端子電壓VS2 (在正常操作期間是4.0V)與基準(zhǔn)電壓Vref2 (例如，3.8V)進(jìn)行比較。在這種情況下，在正常 操作期間， 一種情況代表VS2>Vref2并且該第二比較電路82提供"低"輸 出。相反，在發(fā)生故障期間，另一情況代表VS2<Vref2并且該第二比較電 路82提供另一 "高"輸出。例如，如果在連接到負(fù)端子SS-的區(qū)域出現(xiàn)接 地短路，則第二比較電路82生成"高"輸出。
第三比較電路83對監(jiān)控器-單元端子電壓VM2 (在正常操作期間是 4.0V)與基準(zhǔn)電壓Vref3 (例如，3.8V)進(jìn)行比較。在這種情況下，在正常 操作期間， 一種情況代表VM2>Vref3并且該第三比較電路83提供"低" 輸出。相反，在發(fā)生故障期間，另一情況代表VM2〈Vref3并且該第三比較 電路82提供另一 "高"輸出。例如，如果在連接到負(fù)端子MS-的區(qū)域出現(xiàn) 接地短路，則第三比較電路83生成"高"輸出。
第四比較電路84對公共端子電壓Vcom與傳感器-單元端子電壓VS2 進(jìn)行比較。在這種情況下，在正常操作期間，Vc0m>VS2并且該第四比較 電路84提供"低"輸出。相反地，在發(fā)生故障期間，Vcom〈VS2并且該第 四比較電路84提供另一 "高"輸出。例如，如果在連接到公共端子COM+ 的區(qū)域出現(xiàn)接地短路或在負(fù)端子SS-處出現(xiàn)電力不足，則該第四比較電路 84生成"高"輸出。
第五比較電路85對公共端子電壓Vcom與監(jiān)控器單元端子電壓VM2 進(jìn)行比較。在這種情況下，在正常操作期間，Vcom〉VM2并且該第五比較 電路85提供"低"輸出。相反，在發(fā)生故障期間，Vcom<VM2并且該第五 比較電路85提供另一 "高"輸出。例如，如果在連接到公共端子COM+的 區(qū)域出現(xiàn)接地短路或在負(fù)端子MS-處出現(xiàn)電力不足，則該第五比較電路85 生成"高"輸出。
盡管在附圖中未示出，但是由兩個電阻器構(gòu)成的電阻分壓電路將恒定 電壓Vcc分壓為基準(zhǔn)電壓Vrefl到Vref3的每一個。
將玉個比較電路81-85的輸出以及從微計算機(jī)41輸出的故障確定信號 SG4輸入到OR電路86。在這種情況下，如果施加到OR電路86的多個輸 入信號中的任一個處于高電平，則該OR電路86生成"高"信號作為電壓 施加停止信號SG1。如果SGb"高"，則如上所述斷開傳感器-單元/監(jiān)控器 -單元驅(qū)動器電路44的切換電路53，從而中斷電壓到公共端子COM+的施加(參見圖3)。 g卩，很可能傳感器單元35和監(jiān)控器單元34出現(xiàn)諸如電力 不足或接地短路的故障，或者可替換地，微計算機(jī)41輸出故障確定信號 SG4。在這種情況下，中斷到傳感器單元35和監(jiān)控器單元34的電壓施加， 從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)這些單元的效果。更具體地，這阻止了過大的電流流經(jīng)傳感 器單元35和監(jiān)控器單元34，從而能夠抑制對感測元件的損害。
現(xiàn)在描述由微計算機(jī)41執(zhí)行的計算傳感器輸出補(bǔ)償值的第一操作以及 檢測故障的第二操作。關(guān)于傳感器輸出補(bǔ)償值的計算操作是在檢測NOx濃 度期間進(jìn)行的操作，在基于這種狀態(tài)下的電路輸出來執(zhí)行計算輸出補(bǔ)償值 (特別是本實(shí)施例的偏移校正值)的操作期間，執(zhí)行操作以將Is檢測電路 部分45和Im檢測電路部分46中的電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電 位差臨時調(diào)零。進(jìn)一步，基于在上述臨時調(diào)零電流-電壓轉(zhuǎn)換器的端子電位 差時所得到的傳感器單元35或監(jiān)控器單元36的電動勢，故障檢測操作用 于檢測諸如斷開或元件破裂以及元件活動性不足等的故障的存在或不存 在。
首先，下面將參考圖6所示的流程圖詳細(xì)描述用于計算傳感器輸出補(bǔ) 償值的操作例程。而且，微計算機(jī)41以給定的時間周期重復(fù)執(zhí)行圖6所示 的操作例程。這里描述了用于計算Is檢測電路部分45的輸出值(VS1)的 偏移校正值的序列。
在圖6中，在步驟Sll，對是否需要在當(dāng)前時序執(zhí)行操作以計算偏移校 正值做出詢問。利用本實(shí)施例，將用于要獲得的偏移校正值的計算時間段 設(shè)置為IO秒鐘并且每次時間流逝IO秒鐘，對步驟Sll的回答是"是"?？?以優(yōu)選地根據(jù)例如電路溫度變化的速度來確定用于偏移校正值的計算周 期。如果用于偏移校正值的計算時序存在，則操作進(jìn)行到步驟S12，其中對 傳感器單元35的溫度是否上升到給定激活溫度(例如，750°C)做出詢問。 更具體地，基于從引擎啟動開始流逝的時間、施加到加熱器的電功率幅值 或與該傳感器單元35相關(guān)的阻抗檢測值來確定傳感器單元35的溫度上升 狀態(tài)。
如果傳感器單元35的溫度上升到給定激活溫度，則操作進(jìn)行到步驟 S13，其中執(zhí)行操作以將電路切換信號SG2的電平從高電平切換到低電平。 這允許Is檢測電路部分45對連接到差分放大器電路62的反饋輸入電通路
33T 1知T2的經(jīng)誦錄太匸龍?zhí)韧祩鹟l的席別T.1—T. *、講4千七71拖_投儲輸經(jīng)
電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的電流被有意地設(shè)置為OnA。在后續(xù)的步驟S14，在將 電路切換信號SG2從"高"切換到"低"電平之后，執(zhí)行待機(jī)操作直到實(shí) 現(xiàn)輸出穩(wěn)定為止。
在待機(jī)操作已進(jìn)行給定時間間隔之后，在步驟S15，執(zhí)行操作以從差分 放大器電路66讀出輸出VS1并且基于該VS1值來計算偏移校正值Foff。 在本實(shí)施例中，VS1值在給定的時間被轉(zhuǎn)換成電流以提供偏移校正值Foff。 將偏移校正值Foff存儲在備份設(shè)備(例如以EEPROM或備份RAM為例) 中。換言之，在備份設(shè)備中將偏移校正值Foff存儲為學(xué)習(xí)值并適當(dāng)?shù)馗隆?br> 之后，在步驟S16，將電路切換信號SG2從"低"狀態(tài)切換到"高" 狀態(tài)。這允許將反饋輸入電通路L1連接到差分放大器電路62，并伴隨有將 Is檢測電路部分45返回到正常NOx濃度檢測狀態(tài)的結(jié)果。在后續(xù)步驟S17， 在將電路切換信號SG2從"低"狀態(tài)切換到"高"狀態(tài)之后，執(zhí)行待機(jī)操 作以使Is檢測電路部分45的輸出穩(wěn)定。然后，在待機(jī)操作已進(jìn)行給定時間 間隔之后，重新開始正常的NOx濃度檢測操作(在步驟S18)。
將按照上述方式計算的偏移校正值Foff適當(dāng)?shù)赜糜谛Ｕ齻鞲衅鲉卧?流Is (在VS1的電流轉(zhuǎn)換值中)，在操作期該電流被順序測量以檢測NOx 濃度。即，從在NOx濃度操作期間測量所得的傳感器單元電流Is減去偏移 校正值Foff，從而計算校正后的傳感器單元電流(校正后的傳感器單元電 流4s-Foff)。然后，基于校正后的傳感器單元電流來計算NOx濃度。
實(shí)際上，執(zhí)行操作以計算偏移校正值，其不僅用于Is檢測電路部分45 而且用于Im檢測電路部分46，并且通過使用這兩個檢測電路部分45和46 的偏移校正值來計算NOx濃度。在這種情況下，從傳感器單元電流Is (測 量值)減去用于傳感器單元的偏移校正值以計算校正后的傳感器單元電流， 并且從監(jiān)控器單元電流Im (測量值)減去用于監(jiān)控單元的偏移校正值以計 算校正后的傳感器單元電流。然后基于校正后的傳感器單元電流和校正后 的監(jiān)控器單元電流之差(=校正后的傳感器單元電流-校正后的監(jiān)控器單元 電流)來計算NOx濃度。
如圖7A所示，在NOx傳感器電路40中的傳感器單元電流Is和監(jiān)控器 單元電流Im分別出現(xiàn)偏移誤差。在圖7A中，術(shù)語"傳感器輸出"是指實(shí)
34際出現(xiàn)在傳感器元件IO上的電流值并且術(shù)語"電路檢測值"是指利用NOx 傳感器電路(包括Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46)所測量的實(shí) 際傳感器輸出的測量值。
在圖7A中，電路檢測值和傳感器輸出隨NOx濃度的增加而線性地增 大。在電路檢測值和傳感器輸出之間有偏移誤差。
在圖7B中，電路檢測值處在第一監(jiān)控器單元電流Im并且傳感器輸出 處在第二監(jiān)控器控單元電流Im，并且偏移誤差處在這兩個電流值之間。
在圖7C中，電路檢測值和傳感器輸出隨偏移誤差的增加而線性地增 大。在電路檢測值和傳感器輸出之間有偏移誤差。
在這種情況下，執(zhí)行操作以獲取與傳感器輸出相關(guān)的偏移誤差作為偏 移校正值，其隨后被用于分別校正傳感器單元電流Is和監(jiān)控器單元電流Im。 這能夠抑制關(guān)于電路檢測值的偏移誤差導(dǎo)致的NOx濃度計算的精度下降。
圖8是表示對傳感器單元電動勢做出響應(yīng)而執(zhí)行故障檢測操作的操作 例程的流程圖。優(yōu)選地，通過微計算機(jī)41以給定時間周期重復(fù)執(zhí)行本操作 例程。
在圖8中，在步驟S21，對是否存在故障檢測時序做出詢問。在本實(shí)施 例中，故障檢測周期被設(shè)置為0.5秒鐘，并且每次流逝0.5秒鐘，步驟S21 的回答為是。如果故障檢測時序存在，則操作進(jìn)行到步驟S22，其中以與步 驟S12所執(zhí)行的相同方式對是否將傳感器單元35的溫度提升到給定激活溫 度(例如，750°C)做出詢問。進(jìn)一步，在步驟S23，對在引擎啟動之后氧 氣是否被從傳感器元件10的腔室14和16充分地排放并且剩余的氧氣濃度 是否處在給定的低氧氣濃度做出詢問。基于例如從引擎啟動而流逝的時間 來確定剩余氧氣的排放狀態(tài)。
如果步驟S22和S23的回答為是，則操作進(jìn)行到步驟S24，其中將輸 出到Is檢測電路部分45的電路切換信號SG2從"高"切換到"低"電平。 這使反饋輸入電通路Ll和L2被切換(在本實(shí)施例中，按照LI—L2的順 序)用于差分放大器電路62。這允許流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的電流被有 意地設(shè)置為0mA。在后續(xù)步驟S25中，在將電路切換信號SG2從"高"切 換到"低"電平之后，執(zhí)行待機(jī)操作直到輸出穩(wěn)定為止。
在待機(jī)操作己執(zhí)行給定時間間隔之后，在步驟S26，執(zhí)行操作以讀取公共端子電壓Vcom和傳感器-單元端子電壓VS2，基于這些電壓，檢測傳感 器單元35的電動勢。更具體地，從公共端子電壓Vcom (即，在傳感器單 元的正端子上所測量的電動勢)減去傳感器-單元端子電壓VS2 (即，在傳 感器單元的負(fù)端子上所測量的電動勢)的步驟允許計算傳感器單元35的電 動勢值35。此外，此時，將傳感器單元35的電動勢值存儲在備份設(shè)備(例 如以EEPROM或備份RAM為例)中。
隨后，在步驟S27，對在步驟S26中所檢測到的電動勢是否處在預(yù)定的 正常范圍內(nèi)做出詢問。更具體地是，感測元件10的腔室基本上保持在稀薄 貧乏狀態(tài)并且傳感器單元35的電動勢是大約0.2V的電壓值。因此，將正 常范圍設(shè)置為在0.2V士0.1V的范圍(從0.1V至0.3V的范圍)。然而，考慮 到在正常操作期間傳感器單元施加電壓為0.4V(=4.4-4.0V)，正常范圍可以 處在從0.1V至0.4V的范圍。
如果電動勢處在正常范圍內(nèi)，則操作進(jìn)行到步驟S28，其中如果諸如斷 開或元件破裂等的故障未出現(xiàn)，則做出正常的判定。進(jìn)一步，如果電動勢 在正常范圍之外，則操作進(jìn)行到步驟S29，其中對電動勢中的故障連續(xù)出現(xiàn) 給定次數(shù)進(jìn)行詢問。如果電動勢中的故障連續(xù)出現(xiàn)給定次數(shù)，則操作進(jìn)行 到步驟S30，其中在存在諸如斷開或元件破裂等的故障時作出故障判定。
如果做出諸如斷開或元件破裂等的故障出現(xiàn)的判定，則在步驟S31執(zhí) 行操作以允許將具有"高"電平的故障檢測信號輸出到傳感器-單元/監(jiān)控器 -單元保護(hù)電路部分48。
隨后，在步驟S32，執(zhí)行操作以將電路切換信號SG2從"低"切換到 "高"電平。這允許用于差分放大器電路62的反饋輸入電通路返回到"L1"， 并伴隨有將Is檢測電路部分45返回到正常NOx濃度檢測狀態(tài)的結(jié)果。在 后續(xù)步驟S33，在將電路切換信號SG2按順序從"低"切換到"高"電平 之后，執(zhí)行待機(jī)操作以使輸出穩(wěn)定。在待機(jī)操作已執(zhí)行給定時間間隔之后， 重新開始正常的NOx濃度檢測操作(步驟S34)。
盡管在附圖中未示出，但按照與圖8所示的類似序列并且按照與上述 相同的方式，基于監(jiān)控器-單元電動勢來設(shè)置監(jiān)控器單元34以執(zhí)行故障檢測 操作。為了簡潔起見，使lm檢測電路部分46進(jìn)入到電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩 個端子之間的電位差被調(diào)零的狀態(tài)，在該狀態(tài)下，通過使用監(jiān)控器-單元端
36子電壓VM2來檢測監(jiān)控器單元電壓。然后，對監(jiān)控器單元電動勢是否處在 正常范圍內(nèi)(從O.l至0.3V的范圍或從0.1至0.4V的范圍)做出詢問，基 于該詢問結(jié)果進(jìn)行故障判定。這允許監(jiān)控器單元34檢測諸如斷開或元件破 裂等的故障。
在利用這種結(jié)構(gòu)的本實(shí)施例中，氣體傳感器控制設(shè)備具有下面列出的 各個優(yōu)點(diǎn)。
設(shè)計Is檢測電路部分45 (或Im檢測電路部分46)的結(jié)構(gòu)以使其具有 設(shè)置在電通路中的幵關(guān)電路71，沒有單元電流(傳感器單元電流或監(jiān)控器 單元電流)流經(jīng)該電通路。即使開關(guān)電路71保持閉合，基于差分放大器電 路66的輸出VS1 (或VM1), Is檢測電路部分45計算偏移校正值Foff。利 用這種結(jié)構(gòu)，如果在NOx傳感器電路40上出現(xiàn)偏移誤差，則可以適當(dāng)?shù)?獲得相等于該偏移誤差的偏移校正值Foff。
特別地，進(jìn)一步，將開關(guān)電路71設(shè)置在電通路(反饋輸入電通路L2) 中，沒有元件電流流經(jīng)該電通路(換言之，開關(guān)電路71沒有設(shè)置在其中留 有元件電流的電通路中)。這避免了由于開關(guān)電路71中所導(dǎo)致的漏電流而 在元件電流測量值中出現(xiàn)誤差，更特別地，由于在諸如電阻器等的半導(dǎo)體 開關(guān)中所導(dǎo)致的漏電流。即，即使在開關(guān)電路71中出現(xiàn)漏電流，沒有出現(xiàn) 對元件電流測量值不利的影響(即使不利的影響發(fā)生，其完全可忽略)。當(dāng) 測量類似本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)中的弱的NOx檢測電流時，由于開關(guān)電路的存在 而造成電流測量值中誤差的存在會導(dǎo)致對NOx濃度檢測增大的不利影響， 但可以避免這種不便。
利用這種正確地計算偏移校正值Foff并且消除由流經(jīng)開關(guān)電路的漏電 流導(dǎo)致的不利影響的能力，可以以更大精度檢測NOx濃度。進(jìn)一步，即使 由于溫度特性和隨時間的劣化而在NOx傳感器電路40中出現(xiàn)輸出誤差， 仍可以適當(dāng)?shù)亟鉀Q輸出特性，以能夠正確地檢測NOx濃度。
利用本實(shí)施例，設(shè)計該結(jié)構(gòu)，以使得閉合開關(guān)電路71以使電流-電壓轉(zhuǎn) 換器16的兩個端子之間的電位差調(diào)零的步驟允許即使在電位差保持為調(diào)零 狀態(tài)時仍能夠基于差分放大器電路66的輸出VS1 (或VM1)來計算偏移校 正值Foff。這能夠基于在NOx-0ppm的測量狀態(tài)下的輸出VS1 (或VM1) 來正確地檢測偏移校正值Foff。
37在開關(guān)電路71保持閉合時，測量出現(xiàn)在傳感器單元35的正和負(fù)端子 上的端子電壓(即，公共端子電壓Vcom和傳感器-單元端子電壓VS2)。然 后，通過使用所檢測到的端子電壓之間的差值來檢測該傳感器單元35的電 動勢(以與監(jiān)控器單元34相同的操作)。這能夠精確地檢測電動勢。然而， 應(yīng)該理解，可以僅使用傳感器-單元端子電壓VS2來檢測電動勢。
Is檢測電路部分45 (或Im檢測電路部分46)具有開關(guān)電路67和71 分別設(shè)置在兩個反饋輸入電通路L1和L2的結(jié)構(gòu)。這允許根據(jù)檢測正常NOx 濃度的需要或計算偏移校正值的需要而斷開或閉合開關(guān)電路67和71，從而 執(zhí)行操作以適當(dāng)?shù)貙μ幵趯?dǎo)通狀態(tài)的反饋輸入電通路進(jìn)行轉(zhuǎn)換。利用這種 結(jié)構(gòu)，適當(dāng)?shù)貙⒎答佪斎腚娡非袚Q到差分放大器電路62的步驟能夠使 NOx濃度檢測被臨時中斷以執(zhí)行關(guān)于偏移校正值的計算。
進(jìn)一步，將電流-電壓轉(zhuǎn)換器61連接到差分放大器電路62的負(fù)反饋部 分的外側(cè)，從而可能控制該差分放大器電路62的輸出(該電流-電壓轉(zhuǎn)換器 61的與傳感器相對的端子處的電壓)。這能夠以變化的程度調(diào)節(jié)電流-電壓 轉(zhuǎn)換器61的兩個端子上的電位差。因此，可以使電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩 個端子上的電位差調(diào)零。
利用Is檢測電路部分45，將電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器側(cè)端子經(jīng)由 偏置電流電阻器75而接地(位于基準(zhǔn)電壓部分)。因此，即使沒有傳感器 電動勢存在，電流-電壓轉(zhuǎn)換器61也可以由于偏置電流電阻器75的存在而 使傳感器側(cè)端子電壓保持在給定電壓。因此，即使沒有電動勢存在，在操 作中仍可以使電路輸出穩(wěn)定，以能夠檢測到傳感器電動勢作為故障值。
利用本實(shí)施例，將公共驅(qū)動器電路44連接到傳感器單元35和監(jiān)控器 單元34的正電位電極并且將傳感器單元35和監(jiān)控器單元34的負(fù)電位電極 分別連接到Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46，開關(guān)電路71也連 接到Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46。這允許基于從各個檢測電 路部分45和46獲取的電流測量值VS1和VM1來計算Is檢測電路部分45 和Im檢測電路部分46各自的偏移校正值。這使得能夠針對每個單元來計 算各個檢測電路部分45和46的特性變化(電路誤差)。因此，與將開關(guān)電 路設(shè)置在用于代表各個單元34和35的公共驅(qū)動電路的傳感器-單元/監(jiān)控器 單元驅(qū)動器電路44中時的實(shí)現(xiàn)方式相比，能夠進(jìn)一步增加要計算的偏移校
38正值的精度。
為了計算傳感器輸出校正值(參見圖6)，設(shè)計結(jié)構(gòu)以使得在傳感器單 元35 (或監(jiān)控器單元34)保持在溫度中活動性的狀態(tài)下來計算偏移校正值 Foff。這能夠使電路輸出保持在穩(wěn)定狀態(tài)的同時以更大的精度獲得偏移校正 值Foff 。
為了計算傳感器輸出校正值(參見圖6)，類似地，可以設(shè)計以提供待 機(jī)時間間隔來等待在開關(guān)電路67和71的斷開和閉合操作的轉(zhuǎn)換期間的輸 出穩(wěn)定。這能夠獲得傳感器-單元電流測量值VSl且電路輸出保持穩(wěn)定。因 此，能以更大的精度獲得NOx濃度值和偏移校正值Foff。此外，代替等待 給定的時間，可以進(jìn)行待機(jī)操作直到VS1時間上的變化量(變化率)達(dá)到 給定值或更少為止。
進(jìn)而，Is檢測電路部分45采取如下形式設(shè)置結(jié)構(gòu)以在開關(guān)電路71 閉合時檢測傳感器單元35的電動勢(與Im檢測電路部分46檢測電動勢的 方式相同)，基于該電動勢來進(jìn)行故障確定。這能夠在故障以元件破裂、活 動性缺陷和斷開等形式發(fā)生時正確地檢測出現(xiàn)的故障。
傳感器-單元/監(jiān)控器-單元保護(hù)電路部分48采取如下結(jié)構(gòu)形式其中基 于公共端子電壓Vcom，用于表示傳感器單元35和監(jiān)控器單元3的各個端 子電壓的傳感器-單元端子電壓VS2和監(jiān)控器單元端子電壓VM2來執(zhí)行故 障檢測(即，基于實(shí)際中的各個端子電壓來設(shè)計該結(jié)構(gòu)以輸出故障檢測信 號SG4)。這樣能夠不僅檢測諸如元件破裂、活動性缺陷和斷開等的故障而 且能夠檢測在傳感器單元35和監(jiān)控器單元34的電極處出現(xiàn)的諸如電力不 足和接地短路之類的故障。
利用本實(shí)施例的控制設(shè)備，設(shè)計結(jié)構(gòu)為如果做出諸如斷開等的各種 故障出現(xiàn)的確定，則輸出"高"信號作為故障確定信號SG4以允許傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動器電路部分44中斷要施加到傳感器單元35和監(jiān)控器 單元34的電壓提供。這導(dǎo)致能夠抑制由于在故障出現(xiàn)期間向各個單元連續(xù) 施加電壓導(dǎo)致的對感測元件的不利影響，同時能夠保護(hù)感測元件。
在利用NOx傳感器電路40時需要假定，原因在于首先弱電流流動， 如果出現(xiàn)各種故障(例如，電力不足和接地短路，特別地是在端子處)，則 會使過大的電流流經(jīng)該感測元件。這導(dǎo)致?lián)p害感測元件和輸出特性變化的
39風(fēng)險的不利影響。在這方面，如上所述，在故障出現(xiàn)期間中斷到各個單元 的電壓施加，能夠保護(hù)該感測元件。
設(shè)計故障檢測例程(參見圖8)以檢測在傳感器單元35 (或監(jiān)控器單 元34)具有對溫度的活動性的狀態(tài)并且在啟動引擎之后感測元件10的腔室 14和16內(nèi)的氧氣被充分排放的狀態(tài)下的傳感器電動勢。這能夠正確地檢測 傳感器電動勢，并伴隨有檢測故障操作的精度增加。
利用該故障檢測例程(參照圖8)，類似地，提供待機(jī)時間間隔以等待 在開關(guān)電路67和71斷開和閉合操作轉(zhuǎn)換期間的輸出穩(wěn)定。這能夠在穩(wěn)定 狀態(tài)下檢測傳感器電動勢，從而增加檢測故障的精度。此外，代替等待給 定時間，可以進(jìn)行待機(jī)操作直到VS1的時間變化量(變化率)達(dá)到給定值 或更少為止。
(第二實(shí)施例)
下面將描述形成根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備的Is檢 測電路部分的電路結(jié)構(gòu)，且主要集中在不同于第一實(shí)施例的部分。
利用本實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備，假定Is檢測電路部分45A (或 Im檢測電路部分46A)具有一種狀態(tài)(為了方便起見，將其稱為"第一狀 態(tài)")以及另一種狀態(tài)(為了方便起見，將其稱為"第二狀態(tài)")，其中在第 一狀態(tài)中電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差被調(diào)零，并且在第二狀 態(tài)中電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差具有不同于調(diào)零電平的值。 在這種第一和第二狀態(tài)下本實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備獲取Is檢測電路 部分45A (或Im檢測電路部分46A)的輸出以基于從第一和第二狀態(tài)所得 到的這些輸出來計算增益校正值，作為電流校正值。
利用本實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備，Is檢測電路部分45A具有如圖 9A所示的電路結(jié)構(gòu)。圖9A所示的電路結(jié)構(gòu)包括圖4所示的電路結(jié)構(gòu)，其 中一部分已修改。因此，類似或相應(yīng)的組成部分具有相同的附圖標(biāo)記。本 實(shí)施例的Is檢測電路部分45A與圖4所示的Is檢測電路部分45的不同之 處在于下面描述的特征。即，圖9A所示的Is檢測電路部分45A包括電壓 輸出電路92，其用作"電壓生成部分"且連接到差分放大器電路62的"-" 輸入端子。這允許在計算電流校正值期間將從電壓輸出電路92輸出的電壓 輸入到差分放大器電路62，從而將電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子之間的電位差設(shè)置為給定值(#0)。
利用圖9A中所示的Is檢測電路部分45A，差分放大器電路62的正端 子經(jīng)由電容器CO接地。這抑制了由于在斷開開關(guān)71期間出現(xiàn)的峰值或突 波電壓導(dǎo)致的氣體感測元件10的電壓變化。
圖9B是表示當(dāng)以變化頻率施加交流電壓時對氣體感測元件10的傳感 器單元35的阻抗的頻率依賴結(jié)果，其中，橫軸表示阻抗(n)的實(shí)部Z'， 縱軸表示阻抗(Q)的虛部Z"。
在圖9B中，當(dāng)對傳感器單元35施加具有高頻率的交流電壓時Rl表 示該傳感器單元35的實(shí)部的阻抗，在該高頻率下出現(xiàn)02寸廣散且出現(xiàn)電子 轉(zhuǎn)移；C1表示覆蓋傳感器單元35的阻抗R2的曲線，其中，0-2的晶界擴(kuò) 散出現(xiàn)；C2表示覆蓋傳感器單元35的實(shí)部的阻抗R3的曲線，其中出現(xiàn)吸 收和分離且出現(xiàn)02—的表面擴(kuò)散；并且C3表示覆蓋傳感器單元35的實(shí)部的 阻抗Z'的曲線，其中出現(xiàn)氣體擴(kuò)散且對氣體感測元件施加低頻交流電壓。 在圖9B中，F(xiàn)l還表示頻率范圍，在該頻率范圍中主要出現(xiàn)包括固態(tài)電解 質(zhì)體11和電極對37和38的傳感器單元35的電極反應(yīng)以及氧化鋯的頻率 特性，并且F2表示氣體擴(kuò)散發(fā)生的頻率范圍。
圖9C是表示氣體感測元件110的操作狀態(tài)的波形圖。在圖9C中，Wl 表示利用所施加的電壓測量傳感器單元35的輸出電流的測量狀態(tài)或?qū)㈦娏?施加到傳感器單元以允許端子電壓處在給定值的狀態(tài)。Wla指示將電壓施 加到傳感器單元35的時間并且Wlb指示不向傳感器單元35施加電壓以在 該傳感器單元35的電極之間出現(xiàn)電動勢。W2指示在傳感器單元35 (參見 圖1)的電極對37和38支架施加的0.4V的電壓并且W2a指示電動勢出現(xiàn) 在傳感器單元35中，并且W3表示指示流經(jīng)傳感器單元35的單元電流(元 件電流)的波形，并且W4表示時間(ms)。
在Wlb期間，利用上述電路的操作對流經(jīng)傳感器單元35的電極對的 電流進(jìn)行調(diào)零(對于要測量的電動勢而言)。波形W2和W3指示在利用電 路使流經(jīng)傳感器單元35的電流調(diào)零時端子電壓的變化和元件電流(單元電 流)的變化。在使流經(jīng)傳感器單元35的電流調(diào)零時，傳感器單元35上的 端子電壓由于出現(xiàn)電動勢而導(dǎo)致該傳感器單元上的電壓變化。
更特別地，將反饋輸入電通路L1連接到差分放大器電路62的"-"輸
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說明書第35/53頁
入端子，電壓輸出電路92經(jīng)由開關(guān)電路91也連接到該差分放大器電路62 的"-"輸入端子。電壓輸出電路92包括電阻分壓器電路，其包括兩個電阻 器，借助該電阻器，對固定電壓Vcc進(jìn)行分壓以提供所得到的電壓VX2。 開關(guān)電路93還連接到反饋輸入電路Ll 。
設(shè)計被額外地設(shè)置在圖9A所示的電路中的開關(guān)電路91和93以對在電 路切換信號SG2是"低"信號(即，當(dāng)斷開反饋輸入電通路L1的開關(guān)電路 67并且閉合反饋輸入電通路L2的開關(guān)電路71時)的情況下從微計算機(jī)41 輸入的具有"高"和"低"二進(jìn)制值的電路切換信號SG5做出響應(yīng)而被打 開或被關(guān)閉(閉合或斷開)。將電路切換信號SG5原封不動地輸入到一個開 關(guān)電路93并且經(jīng)反相電路94輸入到另一個開關(guān)電路91 。
利用本實(shí)施例的氣體傳感器控制設(shè)備，如果SG5 'H"，則閉合開關(guān)電 路93并且斷開開關(guān)91。相反，如果SG5-"L"，則斷開開關(guān)電路93并且 閉合開關(guān)91?？傊韵喾吹臄嚅_和閉合時間周期來斷開或閉合開關(guān)91和 93。
這里，在基于假設(shè)SG2= "L"(開關(guān)電路67被斷開并且開關(guān)電路71被 閉合)的情況在SGS- "H"和SG5二 "L"的情況下來描述所執(zhí)行的操作。 應(yīng)該理解，SG5= "H"對應(yīng)于"第一狀態(tài)"并且SG5= "L"對應(yīng)于"第二 狀態(tài)"。
如果SG5= "H"，則差分放大器電路62的"-"輸入端子和電壓輸出電 路92彼此斷開。在這種情況下，電路以與參考圖4中SG2= "L"的操作描 述的相同的方式出現(xiàn)。即，差分放大器電路62調(diào)節(jié)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的 與傳感器相對的端子(結(jié)點(diǎn)B2)處電壓。這使電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個 端子之間的電位差被調(diào)零，從而沒有電流流經(jīng)該電流-電壓轉(zhuǎn)換器61 (表示 為電流inA)。因此，該差分放大器電路66提供，該輸出VSl在具有NOx 濃度^[ppm](等于偏移值)的檢測狀態(tài)下保持在等于電路輸出誤差的值處。
進(jìn)一步，如果SG5-"L"，則差分放大器電路62的"-"輸入端子和電 壓輸出電路92彼此連接。在這種情況下，該差分放大器電路62調(diào)節(jié)更靠 近傳感器的電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的端子(結(jié)點(diǎn)B1)處的電壓。這使對于電 流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器側(cè)端子(結(jié)點(diǎn)Bl)而言在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61 的與傳感器相對的端子(結(jié)點(diǎn)B2)處的電壓處于導(dǎo)致給定電壓電位(=相應(yīng)于VX2的電壓)的電平。當(dāng)這發(fā)生時，電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子 之間的電位差表示根據(jù)電壓VX2的假定值。這種狀態(tài)與檢測初始確定的 NOx濃度(a[ppm])的狀態(tài)相對應(yīng)。因此，差分放大器電路66的即時輸出 VS1保持在與在NOx濃度^[ppm]的檢測狀態(tài)下的電路輸出誤差相等的值。
在等價于NOx濃度-O[ppm]狀態(tài)的第一狀態(tài)下獲得輸出VS1，也在等 價于NOx濃度-a[ppm]狀態(tài)的第二狀態(tài)下獲得輸出VS1?？梢酝ㄟ^使用這 些輸出獲得增益誤差。
接下來，下面將描述微計算機(jī)41的操作以解釋如何計算傳感器輸出校 正值。
圖10是表示根據(jù)本實(shí)施例的用于計算傳感器輸出校正值的操作的例程 的流程圖。利用本例程。將增益校正值計算為傳感器輸出校正值。而且利 用微計算機(jī)41以給定的時間周期重復(fù)地執(zhí)行圖10所示的例程。這里，描 述如何計算用于Is檢測電路部分的輸出值(VS1)的增益校正值。
在圖10中的步驟S41，對當(dāng)前時間是否屬于增益校正值的計算時序進(jìn) 行詢問。利用本實(shí)施例，將校正值計算周期設(shè)置為IO秒鐘并且每次流逝IO 秒鐘，使步驟S41為正確。如果當(dāng)前時間屬于用于增益校正值的計算時序， 則操作進(jìn)行到步驟S42，其中對傳感器單元35的溫度是否被提升到給定激 活溫度(例如，750°C)進(jìn)行詢問。更具體地，基于從引擎啟動開始所流逝 的時間或傳感器單元35的阻抗檢測值來確定該傳感器單元35的溫度上升 狀態(tài)。
如果傳感器單元35的溫度被提升到給定激活溫度，則操作進(jìn)行到步驟 S43，其中將輸出到Is檢測電路部分45的電路轉(zhuǎn)換電路SG2從"H"切換 到"L"。這允許Is檢測電路部分45切換用于差分放大器電路62的反饋輸 入電通路Ll和L2的導(dǎo)通狀態(tài)，并伴隨有流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的電流 被有意地設(shè)置成OnA的結(jié)果。當(dāng)這發(fā)生時，輸入電壓轉(zhuǎn)換信號SG5在上述 的"第一狀態(tài)"下保持為原封不動的"高"信號。在后續(xù)步驟S44，在導(dǎo)通 狀態(tài)下將電路轉(zhuǎn)換信號SG2從"高"切換到"低"之后，執(zhí)行待機(jī)操作以 等待輸出穩(wěn)定。在待機(jī)操作中給定的時間間隔流逝之后，在步驟S45中執(zhí) 行操作以讀取差分放大器電路66的輸出VS1。在步驟S45讀取的輸出VS1 等于偏移誤差并且其可以足以用于基于VS1 (類似在圖6中的步驟S15中
43實(shí)現(xiàn)的效果)而計算的偏移校正值Foff。
隨后，在步驟S46，輸入電壓轉(zhuǎn)換信號SG5被從"H"切換到"L"。 這允許Is檢測電路部分45處在"第二狀態(tài)"下，在該"第二狀態(tài)"下，差 分放大器電路62的"-"輸入端子和電壓輸出電路92彼此連接。在后續(xù)的 步驟S47，在電路轉(zhuǎn)換電路SG2在導(dǎo)通狀態(tài)下被從"高"—"低"進(jìn)行切 換之后，執(zhí)行待機(jī)操作以等待輸出穩(wěn)定。在在待機(jī)操作下給定的時間間隔 流逝之后，在步驟S48執(zhí)行操作以再次讀出差分放大器電路66的輸出VS1。
之后，在步驟S49，基于在步驟S45所讀出的輸出VS1 (即，在第一狀 態(tài)下所讀出的VS1值)和在步驟S48所讀出的輸出VS1 (即，在第二狀態(tài) 下所讀出的VS1值)而計算增益校正值Fgain以存儲在備份設(shè)備中(例如 以EPROM和備份RAM為例)。換言之，將增益校正值Fgain存儲在備份 設(shè)備中作為要以適當(dāng)?shù)臅r序進(jìn)行更新的學(xué)習(xí)值。
這里，兩個傳感器輸出VS1表示在檢測各個NOx濃度的狀態(tài)下所測量 的電路輸出，并且這些二進(jìn)制值的使用使得能夠計算用于NOx濃度的傳感 器輸出的敏感度(增益)。當(dāng)這發(fā)生時，在第一狀態(tài)下假定的NOx濃度為 O[ppm]并且在第二狀態(tài)下假定的NOx濃度為a[ppm]。假定在第一狀態(tài)下傳 感器輸出VS1是Isl并且在第二狀態(tài)下傳感器輸出VS1的電流轉(zhuǎn)換值是Is2， 則按照下式計算增益校正值Fgain:
Fgain= (Is2-Isl) /(a-0) =(Is2-Isl) /a
隨后，在步驟S50和S51，將輸入電壓轉(zhuǎn)換信號SG2從"L"切換到"H" 并且將輸入電壓轉(zhuǎn)換信號SG5從"L"切換到"H"。這允許將到差分放大 器電路62的反饋輸入電通路切換到Ll，在這種情況下，差分放大器電路 62的"-"輸入端子和電壓輸出電路92彼此斷開，并伴隨有Is檢測電路部 分45被返回到正常NOx濃度檢測狀態(tài)的結(jié)果。
在后續(xù)步驟S52，在將電路切換信號SG2從"L"切換到"H"并且將 電路切換換換SG5從"L"切換到"H"之后，執(zhí)行待機(jī)操作直到獲得輸出 穩(wěn)定為止。在待機(jī)操作下給定的時間間隔流逝之后，重新開始正常的NOx 濃度檢測操作(在步驟S51)。
以上述方式計算的增益校正值Fgain適用于校正按順序測量的傳感器
44單元電流Is (VS1的電流轉(zhuǎn)換值)。即，從在檢測NOx濃度時所測量的傳 感器單元電流is中減去增益校正值Fgain的步驟允許計算校正后的傳感器 單元電流(以表示為校正后的傳感器單元電流^s-Fgain的方式)。然后，基 于該校正后的傳感器單元電流來計算NOx濃度。
實(shí)際上，不僅Is檢測電路部分45而且Im檢測電路部分46都執(zhí)行增益 校正值的計算并且通過使用從Is檢測電路部分45和Im檢測電路部分46 所傳送的兩個增益校正值來計算NOx濃度。在這種情況下，從傳感器單元 電流Is (測量值)減去傳感器單元的增益校正值以計算校正后的傳感器單 元電流。類似地，從監(jiān)控器單元電流Im (測量值)減去監(jiān)控器單元的增益 校正值以計算校正后的監(jiān)控器單元電流。然后，基于校正后的傳感器單元 電流和校正后的監(jiān)控器單元電流之差(=校正后的傳感器單元電流-校正后 的監(jiān)控器單元電流)來計算NOx濃度。
如圖11所示，利用NOx傳感器電路40，在傳感器單元電流Is和監(jiān)控 器單元電流Im之間分別出現(xiàn)增益誤差(Is-Im)。在圖11中，術(shù)語"傳感器 輸出"是指實(shí)際出現(xiàn)在感測元件10中的電流值并且術(shù)語"電路檢測值"是 指根據(jù)實(shí)際傳感器輸出由NOx傳感器電路40 (包括Is檢測電路部分45和 Im檢測電路部分46)所測量的測量值。
在這種情況下，獲取傳感器輸出的增益誤差作為增益校正值，通過使 用這種增益校正值來校正傳感器單元電流Is和監(jiān)控器單元電流Im。這抑制 了由電路檢測值的增益誤差所導(dǎo)致的NOx濃度精度的下降。
第二實(shí)施例的NOx傳感器電路具有下列各個優(yōu)點(diǎn)。
在電路設(shè)置中設(shè)計NOx的結(jié)構(gòu)以在等于NOx濃度=0的第一狀態(tài)下和 在等于NOx濃度^a的第二狀態(tài)下獲取輸出VX1，以基于各個輸出計算增 益校正值Fgain。這使得能夠適當(dāng)?shù)孬@得等于在NOx傳感器電路40中所導(dǎo) 致的增益誤差的增益校正值Fgain。此外與第一實(shí)施例類似，沒有開關(guān)電路 設(shè)置在其中流有元件電流(傳感器單元電流和監(jiān)控器單元電流)的電通路 中。因此，可以避免由于開關(guān)電路所導(dǎo)致的漏電流而在元件電流測量值中 出現(xiàn)誤差的不便。
可以以上述方式計算增益校正值Fgain以消除開關(guān)電路所導(dǎo)致的漏電 流引起的不利影響。這導(dǎo)致能夠增加檢測NOx濃度的精度。進(jìn)一步，即使由于溫度特性和臨時變化而在NOx傳感器電路40中發(fā)生輸出誤差并且在 該輸出誤差中發(fā)生變化，可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整該輸出特性，而正確地進(jìn)行NOx 濃度測量。
對于導(dǎo)致在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子之間產(chǎn)生給定電位差的結(jié) 構(gòu)，將電壓輸出電路92連接到差分放大器電路62的"-"輸入端子。這使 得在電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的兩個端子之間出現(xiàn)與該電壓輸出電路92的輸出 電壓一致的電位差，這使地能夠?qū)蓚€端子之間的電位差設(shè)置為任意等級。
進(jìn)一步，在檢測NOx濃度時，僅當(dāng)在大氣條件下NOx濃度-oppm時， 才可能存在基準(zhǔn)濃度。在這種情況下，盡管在NOx濃度-叩pm情況下僅利 用電流測量值計算增益校正值很困難，但是將第一狀態(tài)轉(zhuǎn)換到第二狀態(tài)的 步驟使得NOx傳感器能夠獲得增益校正值。 (其它修改)
本發(fā)明并不局限于上述各個實(shí)施例的結(jié)構(gòu)并且可以在下述的修改中實(shí)現(xiàn)。
利用上述各個實(shí)施例，Is檢測電路部分45采取包括"施加電壓設(shè)置電 路"的結(jié)構(gòu)，該"施加電壓設(shè)置電路"包括差分放大器電路62?？商娲?， 施加電壓設(shè)置電路可以包括同相放大器電路。下面將描述圖12所示的電路 結(jié)構(gòu)，并且集中在不同于圖4的地方。類似的相應(yīng)部分具有相同的附圖標(biāo) 記。利用圖12所示的電路結(jié)構(gòu)，同相電路還被用作施加電壓設(shè)置電路，且 在與電壓輸入相關(guān)的結(jié)構(gòu)中可以進(jìn)行修改。
禾擁圖12所示的電路結(jié)構(gòu)，同相放大器電路101被提供為施加電壓設(shè) 置電路。該同相放大器電路101具有連接到電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器側(cè) 端子(結(jié)點(diǎn)B1)的"-"輸入端子，并且結(jié)點(diǎn)B1的電壓被保持為該同相放 大器電路101的"+"輸入端子處的電壓。電阻分壓器電路63的分壓節(jié)點(diǎn) 經(jīng)由開關(guān)電路102連接到同相放大器電路101的"+"輸入端子，電壓跟隨 器65的輸出端子經(jīng)由開關(guān)電路71連接到同相放大電路101的"+"輸入端 子。
在設(shè)置中設(shè)計開關(guān)電路102和71的結(jié)構(gòu)以對從微計算機(jī)41輸入的電 路轉(zhuǎn)換信號SG2做出響應(yīng)而被接通或關(guān)斷(閉合或斷開)。將電路轉(zhuǎn)換信號 SG2原封不動地施加到開關(guān)電路71的一個端子并且經(jīng)反相電路103施加到另一開關(guān)電路71。
利用當(dāng)前修改形式，如果SG2-"H"，則開關(guān)電路102閉合并且開關(guān)電 路71斷開以使得電阻分壓器電路63的分壓VX3被輸入到同相放大器電路 101的"+"輸入端子。進(jìn)一步，如果SG2= "L"，則開關(guān)電路102斷開并 且開關(guān)電路71閉合以使得電壓跟隨器65的輸出被輸入到同相放大器電路 101的"+"輸入端子?？傊?，利用模式相反的斷開和閉合時間周期來斷開 和閉合開關(guān)電路102和71，導(dǎo)致同相放大器電路101的輸入電壓被改變的 結(jié)構(gòu)。
利用這種電路結(jié)構(gòu)，當(dāng)在正常時刻檢測NOx濃度時，電路切換信號SG2 是"高"信號并且電壓VX3被施加到負(fù)端子SS-。這允許根據(jù)廢氣中的Nox 濃度來測量傳感器單元電流Is。相反，當(dāng)計算偏移校正值時，電路切換信 號SG2是"低"信號并且電壓跟隨器65的輸出VS2經(jīng)由反饋輸入電通路 L2而被施加到同相放大器電路101的"+"輸入端子。由此，在沒有電流 流經(jīng)電流-電壓轉(zhuǎn)換器61 (電流inA)的狀態(tài)下可以調(diào)零該電流-電壓轉(zhuǎn)換 器61的兩個端子之間的電位差。因此，對即時出現(xiàn)的傳感器輸出VS1做出 響應(yīng)，可以計算偏移校正值。此外，對傳感器-單元端子電壓VS2做出響應(yīng)， 可以檢測傳感器電動勢。
利用第一實(shí)施例，設(shè)計電路結(jié)構(gòu)以允許傳感器-單元/監(jiān)控器-單元驅(qū)動 器電路部分44中斷施加電壓，用于當(dāng)諸如斷開等各種故障出現(xiàn)時保護(hù)該傳 感器?？梢砸云渌Y(jié)構(gòu)改變這種電路結(jié)構(gòu)。更特別地，傳感器-單元/監(jiān)控器 -單元驅(qū)動器電路部分44允許保護(hù)電阻器54具有大的電阻值(以大約幾百 千歐姆至1兆歐姆的數(shù)量級)從而使其電流受限于預(yù)定的上限電流(例如 以老化電流為例)?？商娲兀\(yùn)算放大器52的電流輸出是有限的。利用 這種結(jié)構(gòu)，流經(jīng)該傳感器單元35的最大電流受到限制以在即使在該傳感器 單元35的負(fù)端子上出現(xiàn)諸如電力不足和接地短路等故障時仍能保護(hù)感測元 件。在這種情況下，可以優(yōu)選地采取單元施加電壓被限制在老化電壓之下 以調(diào)節(jié)傳感器特性的結(jié)構(gòu)。
利用上述各個實(shí)施例，設(shè)計結(jié)構(gòu)以在電通路中包含電壓跟隨器65，其 中，電流-電壓轉(zhuǎn)換器61的傳感器側(cè)端子和差分放大器電路62通過該電通 路而彼此連接以提供不使元件電流流經(jīng)Is檢測電路部分的反饋輸入電通路Ll的結(jié)構(gòu)?？商娲?，可以用同相放大器電路代替電壓跟隨器65。 gp，在 這種情況下，其代表了在同相放大器電路和差分放大電路62之間的電通路 (反饋電通路L2)中設(shè)置開關(guān)電路71的情況。
利用上述各個實(shí)施例，如參考圖2所描述的，傳感器-單元電流測量值 VS1和監(jiān)控器-單元電流測量值VM1被輸入到微計算機(jī)41以允許該微計算 機(jī)41計算(Is-Im)值?？梢砸韵率鼋Y(jié)構(gòu)修改這種結(jié)構(gòu)。即，提供例如包括 差分放大器電路的(Is-Im)計算電路部分以允許該(Is-Im)計算電路部分 施加有從Is檢測電路部分45輸出的傳感器-單元電流測量值VS1以及從Im 檢測電路部分46輸出的監(jiān)控器-單元電流測量值VM1。這允許計算電路部 分計算(Is-Im)值，該值隨后被輸出到微計算機(jī)41。
利用上述第二實(shí)施例，設(shè)置電路結(jié)構(gòu)以使得在計算增益校正值Fgain 時，在等價于NOx濃度-O[ppm]狀態(tài)的第一狀態(tài)下獲得輸出VS1并且在等 價于NOx濃度-a[ppm]狀態(tài)的第二狀態(tài)下獲得輸出VS1，對在這兩種狀態(tài) 下的各個輸出VSl做出響應(yīng)而計算增益校正值Fgain。可替代地，可以修改 這種電路結(jié)構(gòu)，因此除了這兩種狀態(tài)外，可在等價于NOx濃度-p[ppm]的 狀態(tài)(p邦,a)下獲取輸出VS1以對在這三種狀態(tài)下的各個輸出VS1做出響 應(yīng)而計算增益校正值Fgain。
此外，可以設(shè)置另一替代結(jié)構(gòu)，以使得在兩種狀態(tài)下，即等價于NOx 濃度-a[ppm]和NOx濃度-(3[ppm]的狀態(tài)下，分別獲取輸出VS1，以允許對 這兩種狀態(tài)下的各個輸出VS1做出響應(yīng)而計算增益校正值Fgain。
利用上述各個實(shí)施例，將感測元件設(shè)置為包括泵單元、傳感器單元和 監(jiān)控器單元的所謂的三單元結(jié)構(gòu)中?？梢孕薷倪@種結(jié)構(gòu)。例如，該感測元 件可以釆取包括所謂的兩單元結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，該兩單元結(jié)構(gòu)包括泵單元和傳 感器單元。此外，當(dāng)使用監(jiān)控器單元(第三單元)時，該監(jiān)控器單元可以 是輸出電動勢的電動單元。
要被探測的特定成分可以是除NOX外的目標(biāo)。例如，可以更改氣體探 測器以探測諸如廢氣中的HC (炭化氫)和CO (—氧化炭)等目標(biāo)。在這 種情況下，設(shè)置泵單元以從廢氣中排放多余的氧氣，并且設(shè)置感測單元以 在排放多余的氧氣之后分解HC和CO，由此來檢測HC濃度和CO濃度。
氣體傳感器控制設(shè)備可以被明確作為在除柴油機(jī)外的諸如汽油機(jī)的其
48它類型發(fā)動機(jī)中使用的氣體傳感器的控制器。氣體傳感器可以采取一種結(jié) 構(gòu)來檢測除廢氣以外的氣體，并且可以是用于除汽車之外的應(yīng)用中的類型。
將參照附圖中的圖13-16詳細(xì)描述該修改形式的氣體感測元件110。
如圖13和14所示，氣體感測元件110包括每一個均具有氧離子傳導(dǎo) 性的第一和第二固態(tài)電解體151和152、限定在第一和第二電解質(zhì)體151和 152之間用于進(jìn)入測量氣體的測量氣體腔室111以及用于在給定的擴(kuò)散阻力 下將測量氣體引入測量氣體腔室111的擴(kuò)散阻力部分120。
另外，氣體感測元件110包括傳感器單元130，用于檢測被允許進(jìn)入測 量氣體腔室111的測量氣體中所包含的指定氣體的濃度，氧氣泵單元125， 用來調(diào)整進(jìn)入在測量氣體腔室111中的氧氣濃度，氧氣檢測單元140，用于 測量該測量氣體腔室111中的氧氣濃度。
傳感器單元135包括第一固態(tài)電解質(zhì)體151、以與測量氣體腔室111面 對面的方式形成在第一個電解質(zhì)體151的一個表面上的測量電極134以及 在第一電解質(zhì)體151的另一表面上形成的與測量電極134成對的基準(zhǔn)電極 132。
氧氣泵單元125包括第二固態(tài)電解質(zhì)體152、以與測量氣體腔室111面 對面的方式形成在第二電解質(zhì)體152的一個表面上的內(nèi)部泵電極121以及 在第二電解質(zhì)體152的另一表面上形成的與內(nèi)部泵電極121成對的外部泵 電極122。
氧氣監(jiān)控器單元140包括第一固態(tài)電解質(zhì)體151、以與測量氣體腔室 111面對面的方式形成在第一個電解質(zhì)體151的一個表面上的內(nèi)部監(jiān)控器電 極131以及在第一電解質(zhì)體151的另一表面上形成的與內(nèi)部監(jiān)控器電極131 成對的外部監(jiān)控器電極142。
擴(kuò)散阻力部分120沿著與層疊方向垂直的方向形成在第一電解質(zhì)體151 和第二電解質(zhì)體152之間。
如圖15所示，將測量電極134放置在測量氣體腔室111中，在內(nèi)部泵 電極121的外部端壁211的向內(nèi)區(qū)域處。此外，將內(nèi)部監(jiān)控器電極141放 置在測量氣體腔室111中，在內(nèi)部泵電極121的內(nèi)部端壁212的向內(nèi)區(qū)域 處。
如圖13和14所示，氣體感測元件110具有夾在第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體151和152中間的間隔體130，以限定測量氣體腔室111。
另外，在第一電解質(zhì)體151的另一表面處經(jīng)由間隔體131來堆疊防護(hù) 板140，以限定第一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1。
更進(jìn)一步地，在與測量氣體腔室111相對的第二固態(tài)電解質(zhì)體152的 一個表面上堆疊間隔體132，以限定第二基準(zhǔn)氣體分隔室102。陶瓷加熱器 115經(jīng)由間隔體132而堆疊在第二固態(tài)電解質(zhì)體152上，用于加熱氧氣泵單 元125、傳感器單元135以及氧氣監(jiān)控器單元140。
傳感器單元135的基準(zhǔn)電極132以及氧氣監(jiān)控器單元140的外部監(jiān)控 器單元電極142由統(tǒng)一的公共電極構(gòu)成，該公共電極具有用作基準(zhǔn)電極132 和外部監(jiān)控器單元電極142的功能。此外，基準(zhǔn)電極132和外部監(jiān)控器單 元電極142形成在與測量電極134和內(nèi)部監(jiān)控器電極141相對的第一固態(tài) 電解質(zhì)體的另一表面上，以被暴露到第一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1。
另外，將氧氣泵單元125的外部泵電極122放置在與內(nèi)部泵電極121 相對的第二固態(tài)電解質(zhì)體152 —個表面上，以被暴露到第二基準(zhǔn)其它分隔 室102。
測量電極134和內(nèi)部監(jiān)控器電極141位于第一固態(tài)電解質(zhì)體的一個表 面上，該區(qū)域沿著氣體感測元件110的縱向方向Y彼此分隔開給定的距離。 如圖15所示，另外，內(nèi)部泵電極121形成在具有整個周長的區(qū)域中以圍繞 測量電極134和監(jiān)控器電極141。
如圖14所示，擴(kuò)散阻力部分120和內(nèi)部泵電極121沿著堆疊方向Z而 彼此臨近放置。擴(kuò)散阻力部分120沿著與堆疊方向Z和縱向方向Y垂直的 寬度方向X成對地形成在測量氣體腔室111的兩端。利用本實(shí)施例，每一 個擴(kuò)散阻力部分120由包括陶瓷的滲透體組成，例如氧化鋁等。擴(kuò)散阻力 部分120夾在內(nèi)部泵電極121和第一固態(tài)電解質(zhì)體151之間，并且與沿著 堆疊方向Z的內(nèi)部泵電極121部分重疊。
擴(kuò)散阻力部分120的外側(cè)端壁以及測量電極134之間的最短距離S大 概在l-3mm的范圍內(nèi)。
第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體151和152具有主要成分，例如氧化鋯和二 氧化鈰之類的物質(zhì)。此外，間隔體130、 131和132是氧化鋁的主要成分。
如圖16所示，進(jìn)一步，傳感器單元135的測量電極134和基準(zhǔn)電極132
50經(jīng)由IS探測電路部分45和傳感器單元電源Vs而連接到NOx傳感器電路 40。
另外，測量電極134和基準(zhǔn)電極132由包含金屬成分和陶瓷成分的金 屬陶瓷混合材料構(gòu)成，其中金屬成分具有Pt的主要成分，而陶瓷成分包含 氧化鋯的主要成分?？梢源_定陶瓷成分含量相對于金屬成分和陶瓷成分的 總重量為位于例如從10到20wt。/。之間的范圍內(nèi)的值。
另夕卜，測量電極134包括在對抗氮氧化物NOx方面具有活性的Pt-Rh 電極。Pt-Rh電極含有Rh，該Rh含量相對于金屬成分的總重量例如在 10-50wt。/。之間。
另夕卜，與傳感器單元135的測量電極134和基準(zhǔn)電極132類似，內(nèi)部 泵電極121和外部泵電極122由金屬陶瓷材料，該金屬陶瓷材料包含具有 Pt的主要金屬以及包含以氧化鋯為主要成分的陶瓷成分?？梢源_定陶瓷成 分含量相對于金屬陳分和陶瓷成分的總重量為位于例如從10到20wtW之間 的范圍內(nèi)的值。
另外，內(nèi)部泵電極121由Pt-Au電極組成，該P(yáng)t-Au電極在對抗NOx 方面不具有活動性。Au含量相對于金屬成分的總重量為例如l-10wt。/。之間 的值。
如圖16所示，氧氣監(jiān)控器單元140的內(nèi)部監(jiān)控器電極141和外部監(jiān)控 器電極142經(jīng)由監(jiān)控器單元電源Vm和Im檢測電路部分46而與NOx傳感 器電路40相連接。
與傳感器單元135的測量電極134和基準(zhǔn)電極132類似，內(nèi)部監(jiān)控器 電極141和外部監(jiān)控器電極142由包含金屬成分和陶瓷成分的金屬陶瓷混 合材料構(gòu)成，其中金屬成分具有Pt的主要成分，而陶瓷成分包含氧化鋯的 主要成分?？梢源_定陶瓷成分含量相對于金屬成分和陶瓷成分的總重量為 位于例如從10到20wtM之間的范圍內(nèi)的值。
另外，內(nèi)部泵電極121由Pt-Au電極構(gòu)成，該在Pt-Au電極對抗NOx 方面不具有活動性。Au含量相對于金屬成分的總重量為例如1到10%之間 的值。
氧氣監(jiān)控器單元140包括反饋電路750，其允許由Im檢測電路部分46 測量的電流值反饋回到氧氣泵單元125，以使得可以在操作中控制氧氣泵單元125。也就是說，例如，執(zhí)行控制以使得如果由Im檢測電路部分46測量 的電流值超過給定值，則增加從泵單元電源Vp施加到氧氣泵單元125的電 壓，以增加將從測量氣體腔室111傳輸?shù)难鯕獗萌氲降诙鶞?zhǔn)氣體分隔室 102的能力。
另夕卜，測量電極31、基準(zhǔn)電極132 (外部監(jiān)控器電極142)、內(nèi)部監(jiān)控 器電極141、內(nèi)部泵電極121以及外部泵電極122都經(jīng)電導(dǎo)電的引線部分和
通孔而被電連接到外部端子。.
如圖13和14所示，金屬陶瓷加熱器115包括加熱器基底115a、堆疊 在加熱器基底115a上的絕緣層115b以及夾在加熱器基底115a和絕緣層 115b中間的加熱元件150。
利用該金屬陶瓷加熱器115，更近一步地，用于在接通時加熱的加熱元 件150以及引線部分153通過構(gòu)圖而形成在由鋁材料制成的薄片上，并且 將絕緣層U5b放置在加熱元件150上。加熱元件150由含陶瓷的金屬陶瓷 混合材料制成，例如Pt和鋁等。
陶瓷加熱器115用于允許在加熱元件150施加有來自外側(cè)的電功率時 產(chǎn)生熱量，用于將氧氣泵單元125、傳感器單元135和氧氣監(jiān)控器單元140 加熱到活動性的溫度。
加熱元件150經(jīng)由與加熱元件150 —體形成的引線部分130、通孔(未 示出)以及端子部分(未示出)而施加有電功率。
另外，第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體151和152，間隔體130， 131和132, 絕緣層115b以及加熱基底115a可以通過刮涂法或注射成型法等形成為類似 薄片的部件。
更進(jìn)一步地，可以通過絲網(wǎng)印刷方法等形成測量電極134、基準(zhǔn)電極 132、內(nèi)部監(jiān)控器電極141、外部監(jiān)控器電極142、內(nèi)部泵電極121以及外 部泵電極122。
另外，形成擴(kuò)散阻力部分120的多孔體可以由絲網(wǎng)印刷等方法形成。 另外，氣體感測元件110可以通過堆疊陶瓷薄片形成，適當(dāng)?shù)匦纬捎?上述各種電極，以形成層疊體并且以統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)燒制該層疊體。 接下來將描述氣體感測元件110的操作原理。
首先，在給定的擴(kuò)散阻力下，測量氣體通過擴(kuò)散阻力部分120以被引入到測量氣體腔室111。根據(jù)擴(kuò)散阻力部分120的擴(kuò)散阻力來確定引入的測 量氣體量。在測量氣體通過氧氣泵單元125的內(nèi)部泵電極121的表面?zhèn)鬏?期間，測量氣體的氧氣濃度利用氧氣泵單元125進(jìn)行調(diào)節(jié)。
也就是說，在氧氣泵單元125的一對電極之間施加電壓以允許外部泵 電極122作為正電極，這將導(dǎo)致包含在測量氣體中的氧氣在內(nèi)部泵電極121 上被減少以形成氧離子。由于泵送作用，將氧離子排放到暴露于基準(zhǔn)氣體 分隔室102的外部泵電極122。相反，如果施加電壓以允許內(nèi)部泵電極121 成為正電極，則在外部泵電極122上發(fā)生氧氣減少以形成氧離子，該氧離 子將會由于泵送作用而被排放到暴露于測量氣體腔室111的內(nèi)部泵電極 121。也就是說，設(shè)計氧氣泵單元125的結(jié)構(gòu)以使得在將電壓施加到采用成 對電極時，氧氣泵單元125允許氧氣流入或流出測量氣體腔室125以調(diào)整 測量氣體腔室111中的氧氣濃度。
特別地，在測量氣體流經(jīng)擴(kuò)散阻力部分120時，測量氣體可能很容易 與內(nèi)部泵電極121接觸，導(dǎo)致氧氣濃度很容易被調(diào)解。
接下來，測量氣體穿過內(nèi)部泵電極121而到達(dá)傳感器單元135的測量 電極134以及氧氣監(jiān)控器單元140的內(nèi)部監(jiān)控器電極。
在將給定的電壓(例如0.4伏)施加到氧氣監(jiān)控器單元140的成對電極 上以使得暴露于第一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1的外部監(jiān)控器電極142成為正 電極時，在暴露于第一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1的內(nèi)部監(jiān)控器電極141上發(fā) 生測量氣體中氧氣的減少。這也導(dǎo)致了氧離子的形成，該氧離子由于泵送 作用而被排放到暴露于測量氣體腔室111的內(nèi)部監(jiān)控器電極141，從而使氧 離子流動。
這里，由于內(nèi)部監(jiān)控器電極141由包括Pt-Au合金的金屬陶瓷類的電極 組成，該P(yáng)t-Au合金在分解NOx方面不具有活動性，因此流經(jīng)氧氣監(jiān)控器 單元140的氧離子電流取決于包含在測量氣體中的氧氣量而不取決于氮氧 化物的量。這允許檢測流經(jīng)氧氣監(jiān)控器單元140的電流值，從而能夠檢測 測量氣體腔室111中的氧氣濃度。
進(jìn)一步，設(shè)計本實(shí)施例的氣體感測元件110的結(jié)構(gòu)，以使得能夠根據(jù) 流經(jīng)氧氣監(jiān)控器單元140的電流檢測值并且經(jīng)由反饋電路750來控制氧氣 泵單元125，以允許測量其它腔室111具有處于給定的固定值的氧氣濃度。即，對來自氧氣將空氣單元140的輸出信號做出響應(yīng)，控制施加到氧氣泵 單元130的電壓以允許氧氣監(jiān)控器單元140提供其值處于期望的固定值(例 如0.2pm)的電流值，這將使測量其它腔室111的氧氣濃度控制在固定值。 此外，將給定電壓(例如，0.4V)施加到傳感器單元135以使得暴露于第 一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1的基準(zhǔn)電極132成為正極。如上所述，由于測量 電極134包括由在分解氮氧化物方面具有活動性的Pt-Rh合金制成的金屬陶 瓷電極，所以在測量電極134上發(fā)生包含在進(jìn)入測量氣體腔室111中的測 量氣體中的氧氣和氮氧化物減少的現(xiàn)象，以形成氧離子。由于泵送作用， 氧離子被排放到暴露于第一基準(zhǔn)氣體分隔室RGC1的基準(zhǔn)電極132，從而使 氧離子流流經(jīng)測量電極134和基準(zhǔn)電極132。該電流表示從包含在測量氣體 中的NOx和氧氣濃度所推導(dǎo)出的電流。
同時，如上所述，流經(jīng)氧氣監(jiān)控器單元140的電流代表取決于測量氣 體腔室111中的氧氣濃度的電流。因此，可以基于流經(jīng)傳感器單元135的 電流值和流經(jīng)氧氣監(jiān)控器單元140的電流值的差值來檢測NOx濃度。
氣體感測元件110按照如下方式操作。
在第一固態(tài)電解質(zhì)體151上形成擴(kuò)散阻力部分120以在第一和第二固 態(tài)電解質(zhì)體151和152之間沿著與層疊方向垂直的方向從測量氣體腔室111 延伸。這縮短了擴(kuò)散阻力部分120的外部端壁120a，即測量氣體的進(jìn)入口， 與測量電極134之間的距離，從而使氣體感測元件110的響應(yīng)增強(qiáng)。
利用本實(shí)施例的氣體感測元件110，在沿著與氣體感測元件110的縱向 方向Y垂直的寬度方向X延伸的區(qū)域中在第一固態(tài)電解質(zhì)體151上形成擴(kuò) 散阻力部分120。這很容易產(chǎn)生每個擴(kuò)散阻力部分120的外部端壁，即測量 氣體進(jìn)入口，與測量電極134之間的距離減小的效果。因此，氣體感測元 件110可以具有進(jìn)一步增強(qiáng)的響應(yīng)。
此外，在內(nèi)部泵電極121的外部端壁211的向內(nèi)區(qū)域中在第一固態(tài)電 解質(zhì)體151上形成測量電極134。這允許氧氣泵單元125在測量氣體到達(dá)測 量電極134之前調(diào)節(jié)該測量氣體中的氧氣濃度。因此，氣體感測元件110 可以具有更高的測量精度。
利用本實(shí)施例的氣體感測元件110，特別地，在內(nèi)部泵電極121的外部 端壁212的向內(nèi)區(qū)域中在第一固態(tài)電解質(zhì)體151上形成測量電極134。這允許利用氧氣泵單元125適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)氧氣濃度，并且隨后向測量電極134提 供氧氣濃度調(diào)節(jié)后的測量氣體。因此，氣體感測元件110在測量特定的氣 體濃度方面具有更高的精度。
進(jìn)一步，沿著層疊方向，擴(kuò)散阻力部分12和內(nèi)部泵電極121彼此靠近 設(shè)置。因此，在測量氣體通過擴(kuò)散阻力部分120而被引導(dǎo)到測量氣體腔室 111的階段期間可以使測量氣體適當(dāng)?shù)乇３譃榕c內(nèi)部泵電極121接觸。在該 階段，因此，氧氣泵單元125可以適當(dāng)?shù)乇盟脱鯕猓瑥亩軌蜻m當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié) 測量氣休中的氧氣濃度。
此外，利用設(shè)置有氧氣監(jiān)控器單元140的氣體感測元件110，可以精確 地得到測量氣體腔室111中的氧氣濃度以獲得測量結(jié)果。將該測量結(jié)果用 于反饋控制，以控制氧氣泵單元125同時將該測量結(jié)果用于校正傳感器單 元135的測量值，以便提高測量精度。此外，將內(nèi)部監(jiān)控器電極141設(shè)置 在內(nèi)部泵電極121的外部端壁211的向內(nèi)區(qū)域中。這能夠使氧氣監(jiān)控器單 元120精確地測量氧氣濃度，其中利用氧氣泵單元125調(diào)節(jié)過該測量氣體 的氧氣濃度。
特別地，如果試圖減小擴(kuò)散阻力部分120的外部端壁120a與測量電極 134之間的距離S以得到改進(jìn)的響應(yīng)，則在適當(dāng)?shù)卮_保氧氣泵送能力過程中 會出現(xiàn)困難風(fēng)險。因此，提供氧氣監(jiān)控器單元140的步驟導(dǎo)致能夠最小化 測量氣休腔室111中的氧氣濃度波動并且校正該測量值。因此，可以確保 檢測特定氣體濃度(NOx濃度)的精度。
利用本實(shí)施例的氣體感測元件110，此外，內(nèi)部監(jiān)控器電極141設(shè)置在 內(nèi)部泵電極121的內(nèi)部端壁212的向內(nèi)區(qū)域中。這使得能夠向內(nèi)部監(jiān)控器 電極141提供具有利用氧氣泵單元125調(diào)節(jié)過的氧氣濃度的測量氣體，從 而提高測量氧氣濃度的精度。
此外，設(shè)計本實(shí)施例的氣體感測元件110的結(jié)構(gòu)以對關(guān)于氧氣監(jiān)控器 單元140中的氧氣濃度的檢測信號做出響應(yīng)而控制施加到氧氣泵單元125 的電壓。這允許測量氣體腔室111中的氧氣濃度保持在固定值。特別地， 如果試圖減小擴(kuò)散阻力部分120的外部端壁120a與測量電極134之間的距 離S以得到改進(jìn)的響應(yīng)，則內(nèi)部泵電極121傾向于具有減小的寬度W，導(dǎo) 致在適當(dāng)?shù)卮_保氧氣泵送能力中的困難風(fēng)險。因此，允許氧氣監(jiān)控器單元
55140監(jiān)控測量氣體腔室111中的氧氣濃度，同時在反饋回路中向氧氣泵單元 125提供所得到的檢測信號，以便很容易地調(diào)節(jié)氧氣濃度。
此外，設(shè)計氧氣監(jiān)控器單元140的結(jié)構(gòu)，以使得當(dāng)在內(nèi)部監(jiān)控器電極 141與外部監(jiān)控器電極142之間施加給定的電壓時，導(dǎo)致取決于測量氣體中 的氧氣濃度的電流流動。此外，做出另一設(shè)計以根據(jù)流經(jīng)傳感器單元135 的電流以及流經(jīng)氧氣監(jiān)控器單元140的電流之差來檢測特定氣體濃度(NOx 濃度)。這使得能夠校正傳感器單元135中關(guān)于特定氣體濃度(NOx濃度) 的測量值，可以得到精確的測量值。
進(jìn)一步，由于擴(kuò)散阻力部分12由多孔體構(gòu)成，所以可以容易地調(diào)節(jié)擴(kuò)
散阻力。
此外，擴(kuò)散阻力部分120的外部端壁120a與測量電極134之間的最短 距離S被設(shè)置為1至3mm范圍內(nèi)的值。這導(dǎo)致能得到具有適當(dāng)改進(jìn)響應(yīng)的 氣體感測元件110，同時確保適當(dāng)提高的測量精度。
如上所述，利用上述實(shí)施例，可以提供具有極好響應(yīng)和更高測量精度 的氣體感測元件。
下面將參考圖17-19詳細(xì)地描述第二修改形式的氣體感測元件110A， 其中類似的組件部分與在圖13-16所示的第一修改形式的氣體感測元件的 那些具有相同的參考標(biāo)記。
第二修改形式的氣體感測元件110 A與第一修改形式的氣體感測元件 110的不同之處在于氣體擴(kuò)散阻力部分120A的結(jié)構(gòu)。即，利用第二修改形 式的氣體感測元件110A，氣體擴(kuò)散阻力部分120A不是由用于第一修改形 式的氣體感測元件110的氣體擴(kuò)散阻力部分120的多孔體構(gòu)成，而是由具 有最小間隙的狹縫形成。通過沿層疊方向Z適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)厚度而在結(jié)構(gòu)中形 成狹縫以獲得期望的擴(kuò)散阻力。可以將該厚度設(shè)置為例如5-50pm。
第二修改形式的氣體感測元件110A與第一修改形式的氣體感測元件 110具有相同的其它結(jié)構(gòu)。
利用本實(shí)施例的氣體感測元件110A，不需要執(zhí)行形成多孔體的步驟， 從而實(shí)現(xiàn)生成成本的減少。
此外，本實(shí)施例中的氣體感測元件IIOA與第一修改形式的氣體感測元 件110執(zhí)行相同的操作并且從而，這里省略了相同的詳細(xì)描述。
56下面將參考圖20-22詳細(xì)地描述第三修改形式的氣體感測元件IIOB， 其中類似的組件部分與圖13-16所示的第一修改形式的氣體感測元件的那 些具有相同的附圖標(biāo)記。
第三修改形式的氣體感測元件110B與第一修改形式的氣體感測元件 110的不同之處在于氣體擴(kuò)散阻力部分120B設(shè)置在測量電極134與內(nèi)部泵 電極122之間，用于對測量氣體提供擴(kuò)散阻力。
氣體擴(kuò)散阻力部分120B包括由諸如氧化鋁等的陶瓷制成的多孔體，其 在第一固態(tài)電解質(zhì)體151上形成從而覆蓋測量電極134和氧氣監(jiān)控器電極。 此夕卜，氣體擴(kuò)散阻力部分120B位于內(nèi)部泵電極121的內(nèi)部端壁212的向內(nèi) 區(qū)域中。
第三修改形式的氣體感測元件110B與第一修改形式的氣體感測元件 IIO具有相同的其它結(jié)構(gòu)。
利用當(dāng)前修改的氣體感測元件IIOB，可以向測量電極134提供首先利 用氧氣泵單元125將其調(diào)節(jié)至適當(dāng)?shù)难鯕鉂舛鹊臏y量氣體，使得能夠以改
進(jìn)的精度檢測特定氣體濃度。
當(dāng)前修改中的氣體感測元件110B執(zhí)行與第一修改形式中的氣體感測元 件110相同的操作，因此，這里省去了相同部分的詳細(xì)描述。
下面將參考圖23-25詳細(xì)地描述第四修改形式的氣體感測元件IIOC， 其中類似的組件部分與圖13-16所示的第一修改形式的氣體感測元件的那 些具有相同的附圖標(biāo)記。
第四修改形式的氣體感測元件HOC與第一修改形式的氣體感測元件 110的不同之處在于氧氣泵單元125C具有在面向測量氣體腔室111的整個 表面區(qū)域中在第二固態(tài)電解質(zhì)體152上形成的內(nèi)部泵電極121C并且氣體擴(kuò) 散阻力部分120C形成在整個測量氣體腔室111中以覆蓋測量電極134和內(nèi) 部監(jiān)控器電極141，用于提供用于測量氣體的擴(kuò)散阻力。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件HOC與第一修改形式的氣體感測元件
iio具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
利用當(dāng)前修改的氣體感測元件IIOC，氧氣泵單元125C可以很容易地 調(diào)節(jié)測量氣體腔室111中的氧氣濃度。
當(dāng)前修改的氣體感測元件IIOC與第一修改形式的氣體感測元件IIO具有相同的其他結(jié)構(gòu)，因此，這里省去了相同部分的詳細(xì)描述。
下面將參考圖26-28詳細(xì)地描述第五修改形式的氣體感測元件110D， 其中類似的組件部分與第四修改形式的氣體感測元件110C的那些具有相同 的附圖標(biāo)記。
第五修改形式的氣體感測元件110D與第四修改形式的氣體感測元件 110C的不同之處在于測量氣體腔室111D包括彼此經(jīng)由限制部分213相通 的第一測量氣體腔室211D和第二測量氣體腔室311D，并且內(nèi)部泵電極 121C面向第一測量氣體腔室211D而測量134和內(nèi)部監(jiān)控器電極141面向 第二測量氣體腔室311D。此外，在位于面向第一測量氣體腔室211D的位 置的整個表面區(qū)域中在第二固態(tài)電解質(zhì)體152上形成內(nèi)部泵電極121C。
間隔體130設(shè)置在第一和第二電解質(zhì)體151和152之間并且包括三層 形式的陶質(zhì)層130a、 130b和130c，該三層具有在不同位置形成的切口部分。 陶質(zhì)層130a具有第一切口部分，通過其限定了限制部分213，并且陶質(zhì)層 130c具有第三切口部分，通過其限定了第二測量氣體腔室311D。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件HOC與第一修改形式的氣體感測元件 110具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
利用當(dāng)前修改的氣體感測元件IIOD，測量氣體經(jīng)擴(kuò)散阻力部分120而 被引導(dǎo)到第一測量氣體腔室211D，在該第一測量氣體腔室211D中氧氣泵 單元125C調(diào)節(jié)氧氣濃度。隨后，測量氣體通過限制部分213以流入第二測 量氣體腔室311D，在該第二測量氣體腔室311D中傳感器單元135檢測特 定的氣體濃度并且氧氣監(jiān)控器單元140檢測氧氣濃度。
因此，可以得到具有更高測量精度的氣體感測元件110D。
當(dāng)前修改的氣體感測元件110D執(zhí)行與第四修改形式中的氣體感測元 件110C相同的操作，因此，這里省去了相同的詳細(xì)描述。
下面將參考圖29-31詳細(xì)地描述第六修改形式的氣體感測元件IIOE， 其中類似的組件部分與上述的第一至第四修改形式的氣體感測元件no至 110D的那些具有相同的附圖標(biāo)記。
第六修改形式的氣體感測元件110E與第一至第四修改形式的氣體感測 元件110至110D的不同之處在于沒有監(jiān)控器單元140。
利用這種結(jié)構(gòu)，氧氣泵單元125用于對來自測量氣體腔室111的氧氣
58進(jìn)行充分排放，以將氧氣濃度減少到傳感器單元135對檢測特定氣體濃度 (NOx濃度)沒有不利影響的程度。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件HOE與第一修改形式的氣體感測元件 110具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
利用當(dāng)前修改形式，可以很容易地制造氣體感測元件110E且結(jié)構(gòu)簡單、 成本低。
當(dāng)前修改的氣體感測元件110E執(zhí)行與第一修改形式中的氣體感測元件 110相同的操作，因此，這里省去了相同的詳細(xì)描述。
下面將參考圖32-34詳細(xì)地描述第七修改形式的氣體感測元件110F， 其中類似的組件部分與上述第一修改形式的氣體感測元件110的那些具有 相同的附圖標(biāo)記。
第七修改形式的氣體感測元件110F與第一修改形式的氣體感測元件 110的不同之處在于該氣體感測元件110F具有形成有擴(kuò)散阻力部分120F的 遠(yuǎn)端。
從圖33和34顯而易見的是，傳感器單元135的測量電極134和氧氣 監(jiān)控器單元140的內(nèi)部監(jiān)控器電極141形成于第一固態(tài)電解質(zhì)體151上， 并且以彼此平行的方式沿著寬度方向X彼此間隔開。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件110F與第一修改形式的氣體感測元件 110具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
在正常應(yīng)用中，傳感器單元135在該遠(yuǎn)端附近的區(qū)域中設(shè)置在氣體感 測元件110F上。因此，沿著縱向方向Y在氣體感測元件110F的遠(yuǎn)端上提 供擴(kuò)散阻力部分120F的步驟可以適當(dāng)?shù)刈钚』瘮U(kuò)散阻力部分120F的外部 端壁，即測量氣體的進(jìn)入口，與測量電極134之間的距離S。
如上所述，進(jìn)一步，沿著寬度方向X以彼此平行的方式放置測量電極 134和內(nèi)部監(jiān)控器電極141的步驟使測量電極134和內(nèi)部監(jiān)控器電極141與 擴(kuò)散阻力部分120F的外部端壁120a之間的間隔相等。因而，使用氧氣監(jiān) 控器單元140檢測的氧氣濃度與實(shí)際保持在測量電極134中的測量氣體中 的氧氣濃度彼此相等。這導(dǎo)致能以更高的精度檢測測量氣體中的特定氣體 濃度(NOx濃度)。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件110F與第一修改形式的氣體感測元件iio具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
下面將參考圖35-37詳細(xì)地描述第八修改形式的氣體感測元件IIOG， 其中類似的組件部分與上述第一修改形式的氣體感測元件110的那些具有 相同的附圖標(biāo)記。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件110G與第一修改形式的氣體感測元件 110的不同之處在于將內(nèi)部泵電極121設(shè)置在擴(kuò)散阻力部分120的向內(nèi)區(qū)域中。
艮P，在層疊方向Z上，擴(kuò)散阻力部分120與內(nèi)部泵電極121不重疊。 此外，在寬度方向X上，擴(kuò)散阻力部分120的內(nèi)部端壁122與內(nèi)部泵電極 121的外部端壁211保持在彼此鄰近的狀態(tài)。
當(dāng)前修改形式的氣體感測元件110G與第一修改形式的氣體感測元件 IIO具有相同的其他結(jié)構(gòu)。
利用當(dāng)前修改形式的氣體感測元件IIOG，可靠地通過擴(kuò)散阻力部分 120的測量氣體可以與內(nèi)部泵電極121接觸，從而使氧氣泵單元125以更可 靠的方式實(shí)現(xiàn)對氧氣泵送能力的控制。
因此，可以得到具有更高測量精度的氣體感測元件IIOG。
當(dāng)前修改的氣體感測元件110G執(zhí)行與第一修改形式的氣體感測元件 IIO相同的操作，因此，這里省去了相同部分的詳細(xì)描述。
在詳細(xì)地描述本發(fā)明的具體實(shí)施例的同時，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng) 該理解可以根據(jù)本公開的總體教導(dǎo)做出對這些細(xì)節(jié)的各種修改和替代。因 此，所公開的具體結(jié)構(gòu)只是示意性的而不限制本發(fā)明的范圍，本發(fā)明的范 圍由所述權(quán)利要求及其等同物的完全廣度給出。
權(quán)利要求
1、一種連接到氣體傳感器的氣體傳感器控制設(shè)備，所述氣體傳感器控制設(shè)備包括由固態(tài)電解質(zhì)體和形成在所述固態(tài)電解質(zhì)體上的一對電極組成的氣體感測元件，其中在接收到施加在所述一對電極兩端的電壓時，根據(jù)測量氣體中特定成分的濃度而產(chǎn)生元件電流，所述氣體傳感器控制設(shè)備包括電流-電壓轉(zhuǎn)換器，具有連接到所述一對電極中的一個電極的一個端子，用于測量流經(jīng)所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述元件電流；輸出電路，用于對利用所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器所測量的所述元件電流做出響應(yīng)，輸出所測量的結(jié)果作為元件電流測量值；施加電壓設(shè)置電路，連接到所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的另一端子以設(shè)置要施加到所述感測元件的所述一對電極兩端的施加電壓；第一電通路，連接在所述輸出電路與所述施加電壓設(shè)置電路之間以將所述元件電流測量值施加到所述施加電壓設(shè)置電路；第二電通路，連接在所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述一個端子與所述施加電壓設(shè)置電路之間，在所述第二電通路中沒有元件電流流動；開關(guān)裝置，設(shè)置在所述第二電通路中，用于有選擇地斷開和閉合所述第二電通路；以及計算裝置，用于在從所述施加電壓設(shè)置電路施加的所述電壓存在時，基于從所述輸出電路輸出的所述元件電流測量值來計算所述特定成分的濃度；其中，驅(qū)動所述開關(guān)裝置的步驟允許所述施加電壓設(shè)置電路將所述施加電壓設(shè)置為調(diào)節(jié)后的級別，以使得所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的兩個端子之間的電位差處于預(yù)定的特定值。
2、 如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中所述輸出獲取裝置允許所述開關(guān)裝置閉合以將所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的 所述兩個端子之間的所述電位差調(diào)零，以在所述電位差保持在調(diào)零的情況 下獲取所述輸出電路的所述輸出值。
3、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中所述第一電通路包括第一反饋通路，通過所述第一反饋通路所述輸出 電路的所述輸出被以反饋形式輸入到所述施加電壓設(shè)置電路，并且所述第 二電通路包括第二反饋通路，通過所述第二反饋通路出現(xiàn)在所述電流-電壓 轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子處的電壓被以反饋形式輸入到所述施加電壓設(shè)置電路；其中，所述開關(guān)裝置設(shè)置在所述第二反饋通路中；從而在正常濃度檢測操作期間，所述第一反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)以 允許所述施加電壓設(shè)置電路根據(jù)以反饋形式經(jīng)由所述第一反饋通路輸入的 所述輸出電路的所述輸出來設(shè)置所述施加電壓；而在計算用于校正所述元件電流的所述電流校正值的操作期間，僅所 述第二反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀態(tài)以允許所述施加電壓設(shè)置電路根據(jù)以反饋 形式經(jīng)由所述第二反饋通路輸入的所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電 壓來設(shè)置所述施加電壓。
4、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，還包括一裝置，用于當(dāng)所述開關(guān)裝置進(jìn)入到閉合狀態(tài)時使所述施加電壓設(shè)置 電路的所述施加電壓被調(diào)節(jié)為相對于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子 電壓感應(yīng)出多個電位差的電壓，以在電壓被調(diào)節(jié)的多個狀態(tài)下從所述輸出 電路獲取輸出值；其中，所述校正值計算裝置對在所述多個狀態(tài)下所獲取的所述輸出電 路的所述輸出值做出響應(yīng)而計算增益校正值作為所述電流校正值。
5、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述氣體傳感器的所述氣體感測元件包括所述固態(tài)電解質(zhì)體以及暴露于氣體腔室的第一和第二單元，所述第一和第二單元中的每一個由形成在 所述固態(tài)電解質(zhì)體上的一對電極構(gòu)成，所述第一單元將進(jìn)入到所述測量氣 體腔室的測量氣體的氧氣量調(diào)節(jié)到給定的濃度級別，并且所述第二單元檢 測具有利用所述第一單元調(diào)節(jié)后的所述氧氣量的所述測量氣體的特定成分；以及所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器測量在所述第二單元中產(chǎn)生的第二單元電流以提 供第二單元電流測量值，基于所述第二單元電流測量值來計算所述特定成 分的濃度。
6、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，還包括 故障確定裝置，用于基于由所述校正值計算裝置產(chǎn)生的用于校正所述元件電流的電流校正值來確定在所述感測元件和傳感器電路中的至少一個 中出現(xiàn)的故障。
7、 如權(quán)利要求1所述的氣體傳感器控制設(shè)備，還包括電動勢檢測裝置，用于使所述開關(guān)裝置閉合以允許所述電流-電壓轉(zhuǎn)換 器的兩個端子之間的電位差處于調(diào)零狀態(tài)，用于檢測在所述調(diào)零狀態(tài)下出現(xiàn)在所述感測元件中的電動勢；以及故障確定裝置，用于基于利用所述電動勢檢測裝置所檢測到的所述電 動勢來執(zhí)行對連接到所述故障檢測裝置的所述感測元件和傳感器電路中的 至少一個的故障確定。
8、 如權(quán)利要求7所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 在反饋回路中將所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的傳感器側(cè)端子電壓輸入到所述施加電壓設(shè)置電路，以使得由所述施加電壓設(shè)置電路所設(shè)置的所述設(shè)置電 壓等于所述傳感器側(cè)端子電壓；從而，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述兩個端子之間的所述電位差被調(diào)零。
9、 如權(quán)利要求7所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述第一電通路包括在反饋回路中使所述輸出電路的所述輸出輸入到所述施加電壓設(shè)置電路的第一反饋通路，并且所述第二電通路包括在反饋 回路中使位于所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述傳感器側(cè)端子處的所述電壓輸入 到所述施加電壓設(shè)置電路的第二反饋通路；其中，所述開關(guān)裝置設(shè)置在所述第二反饋通路中；其中，在正常濃度檢測操作期間，僅所述第一反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀 態(tài)，以允許所述施加電壓設(shè)置電路根據(jù)在反饋回路中經(jīng)由所述第一反饋通 路向所述施加電壓設(shè)置電路輸入的所述輸出電路的所述輸出來設(shè)置所述施加電壓；以及而在檢測所述電動勢的操作期間，僅所述第二反饋通路進(jìn)入到導(dǎo)通狀 態(tài)以允許所述施加電壓設(shè)置電路根據(jù)在反饋回路中經(jīng)由所述第二反饋通路 輸入的所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述傳感器側(cè)端子電壓來設(shè)置所述施加電 壓，以使得所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的所述兩個端子之間的所述電位差被調(diào)零。
10、 如權(quán)利要求7所述的氣體傳感器控制設(shè)備，還包括 電壓施加中斷裝置，用于當(dāng)所述故障確定裝置確定故障存在時中斷所述設(shè)置電壓到所述感測裝置的所述施加。
11、 如權(quán)利要求7所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述氣體傳感器的所述氣體感測元件包括所述固態(tài)電解質(zhì)體以及暴露于氣體腔室的第一和第二單元，所述第一和第二單元中的每一個由形成在 所述固態(tài)電解質(zhì)體上的一對電極構(gòu)成，所述第一單元將進(jìn)入到所述測量氣 體腔室的測量氣體的氧氣量調(diào)節(jié)到給定的濃度級別，并且所述第二單元檢 測具有利用所述第一單元調(diào)節(jié)后的所述氧氣量的所述測量氣體的特定成 分；以及其中，所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器測量出現(xiàn)在所述第二單元中的所述元件電流。
12、 如權(quán)利要求11所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述電動勢檢測裝置在所述測量氣體腔室中的氧氣濃度處于表示所述給定的濃度級別的低氧氣級別的情況下執(zhí)行所述電動勢檢測。
13、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述氣體感測元件包括所述固態(tài)電解質(zhì)體，所述氣體感測元件具有暴露于基準(zhǔn)氣體分隔室的一個表面和暴露于測量氣體腔室的另一表面，第一和第二單元包括分別形成在面對所述基準(zhǔn)氣體腔室和所述測量氣體腔室的 所述固態(tài)電解質(zhì)體的一個端部上的一對電極，以及在臨近所述測量氣體腔 室的區(qū)域中形成在所述固態(tài)電解質(zhì)體的所述另一表面上的擴(kuò)散阻力部分，以允許測量氣體進(jìn)入到所述所述測量氣體腔室中；其中，所述第一單元用于將進(jìn)入到所述測量氣體腔室的測量氣體的氧 氣量調(diào)節(jié)到給定的濃度級別，并且所述第二單元用于檢測具有利用所述第 一單元調(diào)節(jié)后的所述氧氣量的所述測量氣體的特定成分。
14、 如權(quán)利要求2所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述氣體感測元件包括第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體，所述第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體的每一個具有暴露于基準(zhǔn)氣體分隔室的一個表面以及暴露于測 量氣體腔室的另一個表面，第一單元，所述第一單元包括在分別面對所述 基準(zhǔn)氣體分隔室和所述測量氣體腔室的所述第一固態(tài)電解質(zhì)體的一個端部 上形成的第一對電極，以及在分別面對所述基準(zhǔn)氣體分隔室和所述測量氣 體腔室的所述第二固態(tài)電解質(zhì)體的一個端部上形成的第二對電極，以及在 臨近所述測量氣體腔室的區(qū)域中設(shè)置在所述第一和第二固態(tài)電解質(zhì)體之間 的擴(kuò)散阻力部分，以允許測量氣體進(jìn)入到所述測量氣體腔室中；其中，所述第一單元用于將進(jìn)入到所述測量氣體腔室的測量氣體的氧 氣量調(diào)節(jié)到給定的濃度級別，并且所述述第二單元用于將所述測量氣體泵 送到所述測量氣體腔室。
15、 如權(quán)利要求14所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述第一單元包括形成在要暴露于所述基準(zhǔn)氣體分隔室的所述第一固態(tài)電解質(zhì)體的所述一個表面上的基準(zhǔn)電極，以及形成在要暴露于所述測量 氣體腔室的所述第一固態(tài)電解質(zhì)體的所述另一表面上的測量電極；以及所述第二單元包括形成在要暴露于所述基準(zhǔn)氣體分隔室的所述第二固 態(tài)電解質(zhì)體的所述一個表面上的基準(zhǔn)電極，以及形成在面對所述測量氣體 腔室的所述第二固態(tài)電解質(zhì)體的所述另一表面上的內(nèi)部泵電極。
16、 如權(quán)利要求3所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中所述氣體感測元件具有氣體擴(kuò)散范圍頻率，在所述氣體擴(kuò)散范圍頻率 之上，所述氣體感測元件具有氣體擴(kuò)散能力以使所述測量氣體進(jìn)入到所述 氣體感測元件的內(nèi)側(cè)；以及在小于所述氣體擴(kuò)散使能頻率范圍的時間間隔期間所述元件電流被調(diào)零。
17、如權(quán)利要求3所述的氣體傳感器控制設(shè)備，其中 所述元件電流處在4nA/ppm或更小的值。
全文摘要
本發(fā)明公開一種氣體傳感器控制設(shè)備，包括具有負(fù)端子的傳感器單元，電流-電壓轉(zhuǎn)換器連接到該負(fù)端子，以及連接到所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器的差分放大器以提供施加到微計算機(jī)的電流測量結(jié)果。所述電流-電壓轉(zhuǎn)換器具有連接有另一差分放大器的與傳感器相對的端子。電流-電壓轉(zhuǎn)換器以及另一差分放大器的傳感器側(cè)端子通過電通路而彼此電連接，該電通路具有提供有切換電路的傳感器-電流流動禁止通路。閉合切換電路以允許電流-電壓轉(zhuǎn)換器兩端的電位差被調(diào)零。在切換電路閉合時，微計算機(jī)計算元件電流校正值，同時檢測所述傳感器單元的電動勢，其中基于所述電動勢來確定故障。
文檔編號G01N27/409GK101514974SQ20091000821
公開日2009年8月26日 申請日期2009年2月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月19日
發(fā)明者寺西真哉, 延命昭一郎, 水谷圭吾, 秋元克英, 羽田聰 申請人:株式會社電裝