气体传感器及气体传感器的动作方法技术

本发明专利技术提供气体传感器及气体传感器的动作方法，在富燃料气氛下使用时能够对传感器元件予以保护。气体传感器的控制器对作为电化学泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了阈值进行判断，只要判断对象值没有超过阈值就以通过使至少1个电化学泵单元动作而将至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对气体传感器进行控制，判断对象值超过了阈值的情况下以对至少1个电化学泵单元予以保护防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对气体传感器进行控制，电化学泵单元具备：面对传感器元件中所具备的被导入被测定气体的至少1个内部空腔而设置的内侧电极；配置于除内部空腔以外的部位的空腔外泵电极；两个电极间的固体电解质。两个电极间的固体电解质。两个电极间的固体电解质。

【技术实现步骤摘要】
气体传感器及气体传感器的动作方法


[0001]本专利技术涉及极限电流型的气体传感器，特别涉及在富燃料气氛下使用时的该气体传感器的动作控制。

技术介绍

[0002]已经周知采用了以例如氧化钇稳定氧化锆等氧离子传导性的固体电解质为主要构成成分的传感器元件的极限电流型的气体传感器(例如NOx传感器、氧传感器)。该气体传感器中，被测定气体被导入至在传感器元件的内部所设置的空腔(内部空腔)。并且，进行如下控制，即，将面对该内部空腔而设置的内侧电极和配备于元件内部且与基准气体接触的基准电极之间的电位差保持为与所期望的空腔内氧浓度相对应的规定的值。
[0003]概要而言，该控制如下进行，即，在由内侧电极、配备于空腔外的外侧电极(空腔外电极)、以及两个电极间所存在的固体电解质区域构成的电化学泵单元中，向两个电极间施加泵送电压，在内部空腔与外部之间进行氧的吸入或吸出。通过该泵送电压的施加，从而在内侧电极与外侧电极之间流通有与空腔内的氧浓度相对应的大小及朝向的氧泵送电流。
[0004]作为这样的气体传感器的一例，还已经周知有如下气体传感器，该气体传感器在传感器元件的外表面具备外侧电极，且以使得在该外侧电极的周围形成施加规定的扩散阻力的狭缝部的方式设置有陶瓷层(例如参见专利文献1)。
[0005]另外，还已经周知有具备如下构成的传感器元件的气体传感器，该传感器元件构成为：氧浓度检测单元和氧泵单元隔着绝缘层而在元件厚度方向上层叠，检测气体通过在绝缘层的一部分所设置的由多孔质体形成的扩散速度控制部而导入到内部(例如参见专利文献2)。
[0006]现有技术文献
[0007]专利文献
[0008]专利文献1：日本特开2021－162465号公报
[0009]专利文献2：日本特开2012－173146号公报

技术实现思路

[0010]有时将如上所述的极限电流型的气体传感器在来自例如汽油发动机的排气路径的中途等空燃比小于理论空燃比的富燃料气体能够导入至元件内部的环境下使用。
[0011]这种情况下，当富燃料气体导入至内部空腔时，在电化学泵单元中，通常为了使空腔内的氧浓度恒定，执行从元件外部向内部空腔吸入氧的动作(泵送动作)。即，以使得氧被吸入至内部空腔的方式(以使得氧离子从元件外部向内部空腔移动的方式)施加泵送电压，从而与此对应的氧泵送电流在内侧电极与外侧电极之间流通。
[0012]在该氧吸入时存在如下趋势，即，导入至内部空腔的富燃料气体的量越多，泵送电压越大，氧泵电流越大。然而，如果被测定气体的燃料富集程度过大，则随着泵送电压的增大而从外部吸入氧变得困难，取而代之，有可能发生固体电解质中的氧被夺走的所谓的黑
化(Blackening)。黑化为不可逆的现象，只要发生一次，就会导致气体传感器无法再使用。
[0013]上述黑化具有如下趋势，像专利文献1所公开的外侧电极由陶瓷层覆盖的构成的气体传感器那样，外侧电极周围的扩散阻力越大，越容易发生黑化。
[0014]本专利技术是鉴于上述课题而实施的，其目的在于，提供在富燃料气氛下使用时能够对传感器元件予以保护的气体传感器。
[0015]为了解决上述课题，本专利技术的第一方案是构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测的气体传感器，其特征在于，具备：传感器元件，该传感器元件由氧离子传导性的固体电解质构成；以及控制器，该控制器对所述气体传感器的动作进行控制，所述传感器元件具备：至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；所述传感器元件还具备：至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，所述控制器对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，只要所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对所述气体传感器进行控制，在所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对所述气体传感器进行控制。
[0016]本专利技术的第二方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。
[0017]本专利技术的第三方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式。
[0018]本专利技术的第四方案在第一方案所涉及的气体传感器的基础上，其特征在于，所述
规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式，只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种气体传感器，其构成为能够对被测定气体中的规定气体成分进行监测，所述气体传感器的特征在于，具备：传感器元件，该传感器元件由氧离子传导性的固体电解质构成；以及控制器，该控制器对所述气体传感器的动作进行控制，所述传感器元件具备：至少1个内部空腔，该至少1个内部空腔在规定的扩散阻力之下与所述被测定气体的导入口连通，且设置有内侧电极；空腔外泵电极，该空腔外泵电极配置于除所述至少1个内部空腔以外的部位；基准电极，该基准电极设置成能够与基准气体接触；所述传感器元件还具备：至少1个电化学泵单元，该至少1个电化学泵单元构成为通过以规定的泵电源向所述内侧电极与所述空腔外泵电极之间施加泵电压而能够在对应的所述至少1个内部空腔与所述传感器元件的外部之间进行氧的吸入或吸出；以及至少1个电化学传感器单元，该至少1个电化学传感器单元构成为在所述内侧电极与所述基准电极之间产生与对应的所述至少1个内部空腔中的氧浓度相对应的电位差，所述控制器对作为所述至少1个电化学泵单元中包含的判断对象泵单元中的氧吸入动作的指标的判断对象值在规定的判断时间中是否超过了规定的阈值进行判断，只要所述判断对象值没有超过所述规定的阈值，就以通过使所述至少1个电化学泵单元动作而将所述至少1个内部空腔中的氧浓度保持恒定的基本模式对所述气体传感器进行控制，在所述判断对象值超过了所述规定的阈值的情况下，以对所述至少1个电化学泵单元予以保护而防止出现过量氧的吸入动作的保护执行模式对所述气体传感器进行控制。2.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断所述至少1个电化学泵单元是否需要停止的停止阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述停止阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。3.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使
所述气体传感器的控制返回到所述基本模式。4.根据权利要求1所述的气体传感器，其特征在于，所述规定的阈值为用于判断对所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的施加进行控制时的对应的所述至少1个电化学传感器单元中的所述电位差的目标值是否需要变更的变更阈值，所述控制器在所述判断对象值超过了所述变更阈值的情况下，开始所述保护执行模式，所述保护执行模式中，将所述目标值变更为比通常值大的值之后，继续进行所述气体传感器的控制，并且，开始进行至少包括所述判断对象泵单元在内的所述至少1个电化学泵单元中的所述泵电压的值或电流的值、即泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值低于返回阈值的时刻，使所述目标值返回到所述通常值，从而使所述气体传感器的控制返回到所述基本模式，只要所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值没有超过比所述变更阈值大的停止阈值，就继续进行所述泵单元动作值的监控，在所述泵单元动作值没有低于所述返回阈值且所述判断对象值进一步超过了所述停止阈值的情况下，使所述至少1个电化学泵单元的动作停止，并且，开始进行与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的监控，在被监控的所述电位差低于重启阈值的时刻，重启以所述基本模式对所述气体传感器进行控制。5.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述判断对象值为与所述至少1个电化学传感器单元中的所述判断对象泵单元对应的电化学传感器单元中的所述电位差的实测值。6.根据权利要求1至4中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述判断对象值为所述判断对象泵单元中吸入氧时的泵电流的值。7.根据权利要求1至6中的任一项所述的气体传感器，其特征在于，所述至少1个内部空腔为依次连通的多个内部空腔，所述内侧电极为在所述多个内部空腔分别设置的多个内侧电极，所述至少1个电化学泵单元为多个电化学泵单元，所述至少1个电化学传感器单元为多个电化学传感器单元，所述判断对象值至少为所述多个电化学泵单元之一且是与所述多个内部空腔中的最靠近所述导入口的内部空腔对应设置的电化学泵单元中的氧吸入动作的指标。8.根据权利要求7所述的气体传感器，其特征在于，所述多个内侧电极之一为用于监测所述规定气体成分的测定电极，所述多个电化学泵单元包括：测定泵单元，该测定泵单元具备所述测定电极；以及除所述测定泵单元以外的至少1个氧浓度控制泵单元，该至少1个氧浓度控制泵单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，所述多个电化学传感器单元包括：测定传感器单元，该测定传感器单元具备所述测定电极；以及
除所述测定传感器单元以外的至少1个氧浓度监测传感器单元，该至少1个氧浓度监测传感器单元具备除所述测定电极以外的所述多个内侧电极中的任一电极，所述控制器至少在所述基本模式中，基于所述测定泵单元中与所述规定气体成分的浓度相对应地在所述测定电极与所述空腔外泵电极之间流通的测定泵电流，确定所述规定气体成分的浓度。9...

【专利技术属性】
技术研发人员：渡边悠介，市川大智，
申请(专利权)人：日本碍子株式会社，
类型：发明
国别省市：