JP2002243700A

JP2002243700A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2002243700A
Application number: JP2001044193A
Authority: JP
Inventors: Shinji Kumazawa; 真治熊沢; Yuji Oi; 雄二大井; Norikazu Ieda; 典和家田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2002-08-28
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP3969627B2

Abstract

(57)【要約】【課題】センサ出力に影響を及ぼすことが無いととも
に、回路の発振を容易に防止することができるガスセン
サを提供することを課題とする。【解決手段】ポンプ電極３１２（Ｉｐ^-）及びセル電
極３２２（Ｖｓ^-）は互いに接続され、コンパレータ７
１の入力側、ＰＩＤ（比例積分微分）素子７２の出力側
に接続されている。また、ポンプ電極３１１（Ｉｐ⁺）
はコンパレータ７１の出力側に、セル電極３２１（Ｖｓ
⁺）はＰＩＤ７３の入力側に接続されている。更に、ポ
ンプ電極３１１（Ｉｐ⁺）及びセル電極３２１（Ｖｓ⁺）
は、ハイパスフィルタ８を介して接続されている。この
ハイパスフィルタ８は抵抗８１及びコンデンサ８２を直
列接続した手段である。このようなハイパスフィルタ８
により、センサ出力に影響を及ぼすことが無く回路の発
振を容易に防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の空燃比
を全領域にわたり測定するために、内燃機関の排気ガス
等に含まれる酸素等の濃度を検出するための、酸素イオ
ン伝導性の固体電解質を用いたガスセンサ素子及び制御
回路を備えるガスセンサに関する。更に詳しくは、出力
特性に変化を与えることなく、制御回路の発振を抑制す
ることができるガスセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】内燃機関の空燃比を全領域にわたり測定
するために、固体電解質層に電極を設けた酸素濃度測定
セルと酸素ポンプセルの２つのセルを用いたガスセンサ
がある。このガスセンサ素子には酸素濃度測定セルの出
力電圧（Ｖｓ電圧）を所定値に保つために、図７に示す
ようなフィードバック制御回路が接続されているが、ガ
スセンサ素子の特性ばらつきや使用環境によって、この
フィードバック制御回路が発振を生じることがあった。

【０００３】この発振を防止するため特許２６２４７０
４号公報に記載されている様に、酸素ポンプセルの内側
電極と、酸素濃度測定セルの検出電極を共通にして、そ
こに低抵抗な吊るし抵抗を付加していた。また、特開平
５−２５６８１７号公報に記載されている様に、酸素ポ
ンプセルの外側電極及び酸素濃度測定セルのセル電極
に、並列に帰還抵抗を付加し、ポンプ電流と同位相の電
圧をＶｓ電圧に重畳することで、発振を防止するように
していた。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、吊るし抵抗の
抵抗値を大きくしたり、帰還抵抗の抵抗値を小さくする
ことで、Ｖｓ電圧へのポンプ電流信号成分の重畳を大き
くすると、Ｖｓ電圧がポンプ電流の影響を受け、本来の
目的であるＶｓ電圧を所定値に保つ精度が落ちてしまう
という問題が有った。一方、発振を防止するためにはＶ
ｓ電圧に有る程度のポンプ電流成分を重畳する必要が有
り、センサを様々な環境下で発振が生じないようにしつ
つ、広い空燃比領域の測定を実現することは困難であっ
た。本発明は、このような問題点を解決するものであ
り、センサ出力に影響を及ぼすことが無いとともに、回
路の発振を容易に防止することができるガスセンサを提
供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサは、
拡散通路を介して測定ガスを拡散できる拡散室と、該拡
散室に面し、該拡散室内の酸素濃度に応じた出力電圧を
生じる酸素濃度測定セルと、該拡散室に面して、該拡散
室内の酸素を汲み出す酸素ポンプセルとを備え、該酸素
濃度測定セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧になる
ように該酸素ポンプセルに流すポンプ電流を制御するガ
スセンサであって、該ポンプ電流から所定の遮断周波数
以下の低周波成分を除いた高周波成分ポンプ電圧を該酸
素濃度測定セルの出力電圧に重畳したことを特徴とす
る。

【０００６】または、本発明のガスセンサは、拡散通路
を介して測定ガスを拡散できる拡散室と、該拡散室に面
し、該拡散室内の酸素濃度に応じた出力電圧を生じる酸
素濃度測定セルと、該拡散室に面して、該拡散室内の酸
素を汲み出す酸素ポンプセルとを備え、該酸素濃度測定
セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧になるように該
酸素ポンプセルに流すポンプ電流を制御するガスセンサ
であって、該ポンプ電流から所定の遮断周波数以下の低
周波成分を除いた高周波成分ポンプ電圧を該目標電圧に
重畳したことを特徴とする。

【０００７】上記高周波成分ポンプ電圧は、上記酸素ポ
ンプセルの上記拡散室に面しない側である外部ポンプ電
極に、上記遮断周波数以下をカットするハイパスフィル
タの出力より得ることができる。また、上記高周波成分
ポンプ電圧は、上記酸素ポンプセルの上記拡散室に面す
る側である内部ポンプ電極に、上記遮断周波数以下をカ
ットするハイパスフィルタの出力より得ることができ
る。更に、上記ハイパスフィルタは抵抗及びコンデンサ
を直列接続して構成することで簡単な回路構成となり、
好ましい。

【０００８】また、上記フィルターの低周波側の遮断周
波数は、センサの発振しやすい周波数領域よりも低い周
波数領域に設定されることが望ましい。この周波数領域
は、酸素ポンプセルと酸素濃度測定セルを組み合わせた
形態の全領域空燃比センサの場合、２００Ｈｚ以下に設
定されることが望ましい。更に、Ｖｓ電圧の直流成分へ
の影響を及ぼすことがないよう、特にガスセンサに要求
される応答性が劣化しないように、５Ｈｚ以上が望まし
い。これら範囲外では、本ガスセンサの制御回路の発振
を十分に抑制できなかったり、ガスセンサ出力の劣化に
つながるためである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のガスセンサに関す
る実施例により本発明を更に詳しく説明する。本ガスセ
ンサは、ガソリンエンジン等の内燃機関の排気管に接続
され、排気ガス中の酸素ガス濃度を測定するための全領
域空燃比センサとして用いられる。

【００１０】〔実施例１〕本実施例１は、高周波成分ポ
ンプ電圧を外部ポンプ電極（Ｉｐ⁺）から得て、これを
酸素濃度測定セルの出力電圧に重畳するガスセンサ制御
回路を備えるガスセンサである。本ガスセンサに用いら
れるガスセンサ素子は、図１に示すように、ヒータ６１
と、ヒータ６１と隣りあう薄膜状ジルコニアからなる第
１固体電解質層１１、第２固体電解質層１２及び第３固
体電解質層１３とを備える。また、各固体電解質層１
１、１２、１３の間には、それぞれアルミナからなる絶
縁層５１、５２が挟まれている。第１固体電解質層１１
及び第２固体電解質層１２の間には空隙とした拡散室２
１が設けられている。また、第２固体電解質層１２及び
第３固体電解質層１３の間には、絶縁層５２内に形成さ
れる基準酸素室２３が設けられている。更に、拡散室２
１は、絶縁層５１に連通孔を設けた拡散通路４１を介し
て外気に通じる。

【００１１】第１固体電解質層１１の表裏面上にはポン
プ電極が設けられており、酸素ポンプセル（Ｉｐ）とし
て機能する。このうち、陽極側であるポンプ電極３１１
（Ｉｐ⁺）はヒータ６１側であり、陰極側であるポンプ
電極３１２（Ｉｐ^-）は拡散室２１内に位置する。更
に、第２固体電解質層１２の表裏面上にはセル電極が設
けられており、酸素濃度測定セル（Ｖｓ）として機能す
る。このうち、陽極側であるセル電極３２１（Ｖｓ⁺）
は基準酸素室２３内、陰極側であるセル電極３２２（Ｖ
ｓ^-）は拡散室２１内に位置する。

【００１２】図２にガスセンサ素子の制御回路図を示
す。電極３１２（Ｉｐ^-）及びセル電極３２２（Ｖｓ^-）
は互いに接続され、オペアンプ７１の入力側、ＰＩＤ
（比例積分微分）素子７２の出力側に接続されている。
また、ポンプ電極３１１（Ｉｐ⁺）はオペアンプ７１の
出力側に、セル電極３２１（Ｖｓ⁺）はＰＩＤ７３の入
力側に接続されている。更に、ポンプ電極３１１（Ｉｐ
⁺）及びセル電極３２１（Ｖｓ⁺）は、ハイパスフィルタ
８を介して接続されている。このハイパスフィルタ８は
抵抗８１及びコンデンサ８２を直列接続した手段であ
る。

【００１３】上記ガスセンサ素子及びその制御回路は、
抵抗８１及びコンデンサ８２を用いたハイパスフィルタ
８を備え、酸素ポンプセル（Ｉｐ）の電流である、Ｉｐ
電流のうち変動分（交流分）のみのフィードバックを行
うことで、回路の発振を抑制することができる。また、
Ｉｐ電流のうち直流分をコンデンサ８２によって除去し
ているため、酸素濃度測定セル（Ｖｓ）の電流である、
Ｖｓ電流がＩｐ電流によって大きく影響されることが無
く、センサ出力が変動することがない。

【００１４】上記ガスセンサ素子及びその制御回路を用
いたガスセンサの利得及び位相のグラフを実施例として
図３に示す。また、比較例として、ハイパスフィルタ８
である抵抗８１及びコンデンサ８２を含まない（図７に
示す制御回路を参照。）他は同一条件であるガスセンサ
の利得及び位相のグラフを図３に合わせて示す。尚、こ
のグラフは、セル電極３２１（Ｖｓ⁺）及びＰＩＤ素子
７３間に外乱要因として低周波発振器を接続し、この低
周波発振器による低周波を制御回路に流した状態にて求
めた。

【００１５】図３に示すように、利得が１（０ｄＢ）で
ある場合、位相が−３６０°より大きいほうが発振が起
きにくいが、比較例の位相が約−３３５°であるのに対
し、本実施例では約−３０５°と約３０°の位相差があ
り、本実施例の方が発振しにくいことがわかる。これら
は、Ｉｐ電流の高周波分がＶｓ電流に重畳するために利
得が改善し、回路の発振を抑えるように作用するためと
思われる。

【００１６】〔実施例２〕本実施例２は、高周波成分ポ
ンプ電圧を内部ポンプ電極（Ｉｐ^-）から得て、これを
酸素濃度測定セルの出力電圧に重畳するガスセンサ制御
回路を備えるガスセンサである。本ガスセンサのガスセ
ンサ制御回路は、図４に示すように、酸素ポンプセル
（Ｉｐ）のポンプ電極３１２（Ｉｐ^-）に、抵抗８１、
８３及びコンデンサ８２からなるハイパスフィルタ８を
接続し、その出力を酸素濃度測定セルの出力電圧となる
ＰＩＤ素子７２の出力に重畳している。

【００１７】このような構成のガスセンサ制御回路を備
えるガスセンサであっても、実施例１と同じように回路
の発振を抑制することができる。また、ハイパスフィル
タ８により、重畳する成分に直流分が含まれていない
為、酸素濃度測定セル（Ｖｓ）の電流である、Ｖｓ電流
がＩｐ電流によって大きく影響されることが無く、セン
サ出力が変動することがない。

【００１８】〔実施例３〕本実施例３は、高周波成分ポ
ンプ電圧を外部ポンプ電極（Ｉｐ⁺）から得て、これを
酸素濃度測定セルの目標電圧（Ｖｒｅｆ₁）に重畳する
ガスセンサ制御回路を備えるガスセンサである。本ガス
センサのガスセンサ制御回路は、図５に示すように、酸
素ポンプセル（Ｉｐ）のポンプ電極３１１（Ｉｐ⁺）
に、抵抗８１、８４及びコンデンサ８２からなるハイパ
スフィルタ８を接続し、その出力を酸素濃度測定セルの
目標電圧となる基準電源７３（Ｖｒｅｆ₁）に重畳して
いる。

【００１９】このような構成のガスセンサ制御回路を備
えるガスセンサは、実施例１及び２に示す酸素濃度測定
セルの出力電圧ではなく、元になる酸素濃度測定セルの
目標電圧となる基準電源７３（Ｖｒｅｆ₁）に重畳し、
Ｉｐ電流のうち変動分（交流分）のみのフィードバック
を行うことで、回路の発振を抑制することができる。ま
た、ハイパスフィルタ８により、重畳する成分に直流分
がづく稀邸内為、酸素濃度測定セル（Ｖｓ）の電流であ
る、Ｖｓ電流がＩｐ電流によって大きく影響されること
が無く、センサ出力が変動することがない。

【００２０】〔実施例４〕本実施例４は、高周波成分ポ
ンプ電圧を内部ポンプ電極（Ｉｐ^-）から得て、これを
酸素濃度測定セルの目標電圧（Ｖｒｅｆ₁）に重畳する
ガスセンサ制御回路を備えるガスセンサである。本ガス
センサのガスセンサ制御回路は、図６に示すように、酸
素ポンプセル（Ｉｐ）のポンプ電極３１２（Ｉｐ^-）
に、抵抗８１、８４及びコンデンサ８２からなるハイパ
スフィルタ８を接続し、その出力を酸素濃度測定セルの
目標電圧となる基準電源７３（Ｖｒｅｆ₁）に重畳して
いる。

【００２１】このような構成のガスセンサ制御回路を備
えるガスセンサであっても、実施例３と同じように回路
の発振を抑制することができる。また、ハイパスフィル
タ８により、重畳する成分に直流分が含まれていない
為、酸素濃度測定セル（Ｖｓ）の電流である、Ｖｓ電流
がＩｐ電流によって大きく影響されることが無く、セン
サ出力が変動することがない。

【００２２】尚、本発明においては、上記実施例に示す
ものに限られず、目的、用途に応じて本発明の範囲内で
種々変更した態様とすることができる。即ち、ハイパス
フィルタ８は、各実施例に用いる抵抗及びコンデンサを
組み合わせたものに限らず、任意の回路構成とすること
ができる。

【００２３】

【発明の効果】本発明のガスセンサによれば、回路の発
振を容易に防止することができる。また、ガスセンサの
出力に影響を及ぼすことが無く、回路の発振を防止する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本実施例のガスセンサ素子の構造を説明するた
めの断面図である。

【図２】本実施例１のガスセンサ素子の制御回路を説明
するための回路図である。

【図３】本実施例１及び比較例のガスセンサの特性を示
すためのグラフである。

【図４】本実施例２のガスセンサ素子の制御回路を説明
するための回路図である。

【図５】本実施例３のガスセンサ素子の制御回路を説明
するための回路図である。

【図６】本実施例４のガスセンサ素子の制御回路を説明
するための回路図である。

【図７】従来のガスセンサ素子の制御回路例を説明する
ための回路図である。

【符号の説明】

１１；第１固体電解質層、１２；第２固体電解質層、２
１；拡散室、２３；基準酸素室、３１１；ポンプ電極
（Ｉｐ⁺）、３１２；ポンプ電極（Ｉｐ^-）、３２１；セ
ル電極（Ｖｓ⁺）、３２２；セル電極（Ｖｓ^-）、４１；
拡散通路、５１、５２；絶縁層、６１；ヒータ、７１、
８５；オペアンプ、７２；ＰＩＤ素子、７３；基準電源
（Ｖｒｅｆ₁）、８；ハイパスフィルタ、８１、８３、
８４；抵抗、８２；コンデンサ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２７Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
拡散室と、該拡散室に面し、該拡散室内の酸素濃度に応
じた出力電圧を生じる酸素濃度測定セルと、該拡散室に
面して、該拡散室内の酸素を汲み出す酸素ポンプセルと
を備え、該酸素濃度測定セルに生じる出力電圧が所定の
目標電圧になるように該酸素ポンプセルに流すポンプ電
流を制御するガスセンサであって、該ポンプ電流から所定の遮断周波数以下の低周波成分を
除いた高周波成分ポンプ電圧を該酸素濃度測定セルの出
力電圧に重畳したことを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】上記高周波成分ポンプ電圧は、上記酸素
ポンプセルの上記拡散室に面しない側である外部ポンプ
電極に、上記遮断周波数以下をカットするハイパスフィ
ルタの出力より得る請求項１記載のガスセンサ。
【請求項３】上記高周波成分ポンプ電圧は、上記酸素
ポンプセルの上記拡散室に面する側である内部ポンプ電
極に、上記遮断周波数以下をカットするハイパスフィル
タの出力より得る請求項１記載のガスセンサ。
【請求項４】上記ハイパスフィルタは抵抗及びコンデ
ンサを直列接続して構成される請求項１、２又は３に記
載のガスセンサ。
【請求項５】上記遮断周波数は５Ｈｚ以上２００Ｈｚ
以下である請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス
センサ。
【請求項６】拡散通路を介して測定ガスを拡散できる
拡散室と、該拡散室に面し、該拡散室内の酸素濃度に応
じた出力電圧を生じる酸素濃度測定セルと、該拡散室に
面して、該拡散室内の酸素を汲み出す酸素ポンプセルと
を備え、該酸素濃度測定セルに生じる出力電圧が所定の
目標電圧になるように該酸素ポンプセルに流すポンプ電
流を制御するガスセンサであって、該ポンプ電流から所定の遮断周波数以下の低周波成分を
除いた高周波成分ポンプ電圧を該目標電圧に重畳したこ
とを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】上記高周波成分ポンプ電圧は、上記酸素
ポンプセルの上記拡散室に面しない側である外部ポンプ
電極に、上記遮断周波数以下をカットするハイパスフィ
ルタの出力より得る請求項６記載のガスセンサ。
【請求項８】上記高周波成分ポンプ電圧は、上記酸素
ポンプセルの上記拡散室に面する側である内部ポンプ電
極に、上記遮断周波数以下をカットするハイパスフィル
タの出力より得る請求項６記載のガスセンサ。
【請求項９】上記ハイパスフィルタは抵抗及びコンデ
ンサを直列接続して構成される請求項６、７又は８に記
載のガスセンサ。
【請求項１０】上記遮断周波数は５Ｈｚ以上２００Ｈ
ｚ以下である請求項６乃至９のいずれか一項に記載のガ
スセンサ。