JP2002257783A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 センサの出力特性に変化を与えることなく、
ガスセンサ素子温度を短期間で正確に測定することがで
きるガスセンサを提供することを課題とする。 【解決手段】 本ガスセンサは、温度測定のために、電
極３２１（Ｖｓ+）から電流ＩＲｐｖｓを流す際に、電
極３２２（Ｖｓ-）から逆方向で同じ大きさの電流ＩＲ
ｐｖｓ流すため、電流Ｉｐ+にほとんど影響を与えな
い。このため、温度測定による検知セルＩｐに影響を及
ぼさないため、温度測定後の酸素濃度測定に影響を与え
てしまう恐れがなく、大幅に時間を短縮することができ
る。また、温度測定による電流Ｉｐ+にほとんど影響を
与えないため、電流ＩＲｐｖｓの制限が行われることが
ない、このため、測定用電流ＩＲｐｖｓが変動すること
がなく、正確なＩｐの抵抗を測定することができる。
ガスセンサ素子温度を短期間で正確に測定することがで
きるガスセンサを提供することを課題とする。 【解決手段】 本ガスセンサは、温度測定のために、電
極３２１（Ｖｓ+）から電流ＩＲｐｖｓを流す際に、電
極３２２（Ｖｓ-）から逆方向で同じ大きさの電流ＩＲ
ｐｖｓ流すため、電流Ｉｐ+にほとんど影響を与えな
い。このため、温度測定による検知セルＩｐに影響を及
ぼさないため、温度測定後の酸素濃度測定に影響を与え
てしまう恐れがなく、大幅に時間を短縮することができ
る。また、温度測定による電流Ｉｐ+にほとんど影響を
与えないため、電流ＩＲｐｖｓの制限が行われることが
ない、このため、測定用電流ＩＲｐｖｓが変動すること
がなく、正確なＩｐの抵抗を測定することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、内燃機関の全領域
空燃比を求めるために、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に関する。更に詳しく
は、センサの出力特性に変化を与えることなく、ガスセ
ンサ素子温度を短期間で正確に測定することができるガ
スセンサに関する。
空燃比を求めるために、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に関する。更に詳しく
は、センサの出力特性に変化を与えることなく、ガスセ
ンサ素子温度を短期間で正確に測定することができるガ
スセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】内燃機関の全領域空燃比を求めるため
に、内燃機関の排気ガス等に含まれる酸素濃度を検出す
るための、固体電解質層に電極を設けた酸素イオンポン
プセルＩｐ（以下、酸素ポンプセルとする）及び酸素濃
淡電池セルＶｓ（以下、検出セルとする）を使用するガ
スセンサ素子を用いたガスセンサがある。このガスセン
サに使われるガスセンサ素子は、図１に示すように、ジ
ルコニア等からなる固体電解質層１１、１２、１３を用
いていることから、５００〜９００℃で使用することが
好ましく、この範囲の温度より低い状態で使用しようと
すると、固体電解質層１１、１２、１３の破壊を招く恐
れがある。
に、内燃機関の排気ガス等に含まれる酸素濃度を検出す
るための、固体電解質層に電極を設けた酸素イオンポン
プセルＩｐ（以下、酸素ポンプセルとする）及び酸素濃
淡電池セルＶｓ（以下、検出セルとする）を使用するガ
スセンサ素子を用いたガスセンサがある。このガスセン
サに使われるガスセンサ素子は、図１に示すように、ジ
ルコニア等からなる固体電解質層１１、１２、１３を用
いていることから、５００〜９００℃で使用することが
好ましく、この範囲の温度より低い状態で使用しようと
すると、固体電解質層１１、１２、１３の破壊を招く恐
れがある。
【０００３】このため、ガスセンサ素子の温度を測定す
ることが必要であるが、この温度は検出セルＶｓの電気
抵抗を求めることで測定することができる。つまり、図
５に示す制御回路に示すように、検出セルＶｓの電極３
２１、３２２に接続した定電流電源を用いて検出セルＶ
ｓに電流Ｉｒｐｖｓを流している。検出セルＶｓの電極
３２１、３２２間の電圧を検出することで求めている。
また、酸素濃度検出セルの内部抵抗を測定する場合に
は、一旦酸素濃度検出セルの出力電圧をフィードバック
して酸素ポンプセルの電流を制御する経路をスイッチ８
１で遮断してから、電流Ｉｒｐｖｓを流す。このため、
ポンプ電流供給回路のＰＩＤ素子７２の供給電流は固定
されており、電極３２１を経由して電流Ｉｒｐｖｓが流
れないようになっている。
ることが必要であるが、この温度は検出セルＶｓの電気
抵抗を求めることで測定することができる。つまり、図
５に示す制御回路に示すように、検出セルＶｓの電極３
２１、３２２に接続した定電流電源を用いて検出セルＶ
ｓに電流Ｉｒｐｖｓを流している。検出セルＶｓの電極
３２１、３２２間の電圧を検出することで求めている。
また、酸素濃度検出セルの内部抵抗を測定する場合に
は、一旦酸素濃度検出セルの出力電圧をフィードバック
して酸素ポンプセルの電流を制御する経路をスイッチ８
１で遮断してから、電流Ｉｒｐｖｓを流す。このため、
ポンプ電流供給回路のＰＩＤ素子７２の供給電流は固定
されており、電極３２１を経由して電流Ｉｒｐｖｓが流
れないようになっている。
【０００４】一方で、ガスセンサは素子構造を簡素にす
る為に、検出セルＶｓの室内電極３２２と酸素ポンプセ
ルＩｐの室内電極３１２が素子内部で短絡され、１本の
リード線として制御回路と接続されている。また、この
線の電位は、オペアンプ７１によって所定値となるよう
制御されているので、電流Ｉｒｐｖｓはオペアンプ７１
の作用によって、酸素ポンプセルＩｐの室外電極３１１
から供給されて、お互いに短絡された室内電極３１２、
３２２を経由して、酸素濃度検出セルの室外電極に流れ
る様になっている。
る為に、検出セルＶｓの室内電極３２２と酸素ポンプセ
ルＩｐの室内電極３１２が素子内部で短絡され、１本の
リード線として制御回路と接続されている。また、この
線の電位は、オペアンプ７１によって所定値となるよう
制御されているので、電流Ｉｒｐｖｓはオペアンプ７１
の作用によって、酸素ポンプセルＩｐの室外電極３１１
から供給されて、お互いに短絡された室内電極３１２、
３２２を経由して、酸素濃度検出セルの室外電極に流れ
る様になっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、酸素ポンプセ
ルには過大な電流が流れないようにオペアンプ７８から
なる保護用の印加電圧制限回路が設けられることが多
く、電流Ｉｒｐｖｓを流そうとすると、印加電圧制限回
路が働いて、本来固定されるはずのポンプ電流供給回路
７２からの電流が変化してしまうことがあった。即ち、
酸素ポンプセルに流れる電流は、電流Ｉｒｐｖｓとポン
プ電流供給回路７２の供給電流の和であり、印加電圧制
限回路は酸素ポンプセルに印加される電圧を検出して、
ポンプ電流供給回路７２の供給電流を制御するので、電
流Ｉｒｐｖｓによって酸素ポンプセルに印加される電圧
が増え、印加電圧制限回路の制限電圧を超えた分だけ本
来のポンプ電流供給回路からのポンプ電流が増減すると
いう現象が起きるのである。
ルには過大な電流が流れないようにオペアンプ７８から
なる保護用の印加電圧制限回路が設けられることが多
く、電流Ｉｒｐｖｓを流そうとすると、印加電圧制限回
路が働いて、本来固定されるはずのポンプ電流供給回路
７２からの電流が変化してしまうことがあった。即ち、
酸素ポンプセルに流れる電流は、電流Ｉｒｐｖｓとポン
プ電流供給回路７２の供給電流の和であり、印加電圧制
限回路は酸素ポンプセルに印加される電圧を検出して、
ポンプ電流供給回路７２の供給電流を制御するので、電
流Ｉｒｐｖｓによって酸素ポンプセルに印加される電圧
が増え、印加電圧制限回路の制限電圧を超えた分だけ本
来のポンプ電流供給回路からのポンプ電流が増減すると
いう現象が起きるのである。
【０００６】この場合、オペアンプ７１の機能は損なわ
れず、酸素濃度検出セルの室内電極の電位は維持され、
室外電極の電位は正確に知ることが出来、また、酸素濃
度検出セルを流れる電流もＩｒｐｖｓで変わらない。即
ち、酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定する回路系は
印加電圧制限回路の影響を受けないので、酸素濃度検出
セルの内部抵抗値は正確に測定できるが、酸素濃度検出
セルの内部抵抗値を測定しているときに自動車のエンジ
ン制御装置が全領域空燃比センサの出力を取得しようと
すると、センサ出力はポンプ電流供給回路７２の供給電
流によって算出されるので、誤ったセンサ出力を読んで
しまうことになる。この問題は酸素濃度検出セルの内部
抵抗測定時にはセンサ出力を読み取らないようにする等
の予防策を取ることで回避することもできるが、これは
エンジン制御装置とセンサの制御装置の間でやり取りす
る信号が一つ増えることになり、信号線の増加や処理工
数の増加を招くことになり好ましくない。また、酸素濃
度検出セルの内部抵抗値の測定が終了した後でも、印加
電圧制限回路の影響がポンプ電流供給回路に残るので、
内部抵抗値の測定後しばらくはセンサ出力の精度が落ち
測定できないということになり、測定タイミングが限定
されてしまうという問題が有った。
れず、酸素濃度検出セルの室内電極の電位は維持され、
室外電極の電位は正確に知ることが出来、また、酸素濃
度検出セルを流れる電流もＩｒｐｖｓで変わらない。即
ち、酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定する回路系は
印加電圧制限回路の影響を受けないので、酸素濃度検出
セルの内部抵抗値は正確に測定できるが、酸素濃度検出
セルの内部抵抗値を測定しているときに自動車のエンジ
ン制御装置が全領域空燃比センサの出力を取得しようと
すると、センサ出力はポンプ電流供給回路７２の供給電
流によって算出されるので、誤ったセンサ出力を読んで
しまうことになる。この問題は酸素濃度検出セルの内部
抵抗測定時にはセンサ出力を読み取らないようにする等
の予防策を取ることで回避することもできるが、これは
エンジン制御装置とセンサの制御装置の間でやり取りす
る信号が一つ増えることになり、信号線の増加や処理工
数の増加を招くことになり好ましくない。また、酸素濃
度検出セルの内部抵抗値の測定が終了した後でも、印加
電圧制限回路の影響がポンプ電流供給回路に残るので、
内部抵抗値の測定後しばらくはセンサ出力の精度が落ち
測定できないということになり、測定タイミングが限定
されてしまうという問題が有った。
【０００７】更に、印加電圧制限回路が設けられていな
い場合でも、オペアンプ７１は酸素濃度検出セル（及び
酸素ポンプセルの）の室内電極の電位を正確に維持する
ために酸素ポンプセルの室外電極にＩｒｐｖｓに等しい
電流を供給する必要があるが、オペアンプ７１は正負の
入力端子間の電位差が小さなタイプのオペアンプを用い
る必要があるので、Ｉｒｐｖｓとして高精度で早い立ち
上がりの矩形波電流を供給するのに向いていないという
問題が有った。本発明は、このような問題点を解決する
ものであり、センサの出力特性に変化を与えることな
く、ガスセンサ素子温度を短期間で正確に測定すること
ができるガスセンサを提供することを目的とする。
い場合でも、オペアンプ７１は酸素濃度検出セル（及び
酸素ポンプセルの）の室内電極の電位を正確に維持する
ために酸素ポンプセルの室外電極にＩｒｐｖｓに等しい
電流を供給する必要があるが、オペアンプ７１は正負の
入力端子間の電位差が小さなタイプのオペアンプを用い
る必要があるので、Ｉｒｐｖｓとして高精度で早い立ち
上がりの矩形波電流を供給するのに向いていないという
問題が有った。本発明は、このような問題点を解決する
ものであり、センサの出力特性に変化を与えることな
く、ガスセンサ素子温度を短期間で正確に測定すること
ができるガスセンサを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明のガスセンサは、
外部の測定ガス雰囲気と所定の拡散抵抗下で連通してい
る測定室と、該測定室に面する酸素イオン伝導性固体電
解質体からなる酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルと
を備え、該酸素濃度検出セル及び該酸素ポンプセルに
は、該測定室に面する室内電極、及び該測定室に面しな
い室外電極を具備し、該酸素濃度検出セルの該室外電極
が所定の酸素分圧の基準酸素源に接触し、該酸素濃度検
出セルの電極間に発生した電圧に応じて、該酸素ポンプ
セルに電流を流すことで、該測定ガス雰囲気の濃度を求
めるガスセンサであって、該酸素濃度検出セル及び該酸
素ポンプセルの室内電極は互いに接続され、且つ、所定
の電位となるよう制御され、該酸素濃度検出セルの室内
電極及び該室外電極は、所定のタイミングでそれぞれに
少なくとも１つの電源が接続され、所定の電流を流すこ
とで該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定することを
特徴とする。
外部の測定ガス雰囲気と所定の拡散抵抗下で連通してい
る測定室と、該測定室に面する酸素イオン伝導性固体電
解質体からなる酸素濃度検出セル及び酸素ポンプセルと
を備え、該酸素濃度検出セル及び該酸素ポンプセルに
は、該測定室に面する室内電極、及び該測定室に面しな
い室外電極を具備し、該酸素濃度検出セルの該室外電極
が所定の酸素分圧の基準酸素源に接触し、該酸素濃度検
出セルの電極間に発生した電圧に応じて、該酸素ポンプ
セルに電流を流すことで、該測定ガス雰囲気の濃度を求
めるガスセンサであって、該酸素濃度検出セル及び該酸
素ポンプセルの室内電極は互いに接続され、且つ、所定
の電位となるよう制御され、該酸素濃度検出セルの室内
電極及び該室外電極は、所定のタイミングでそれぞれに
少なくとも１つの電源が接続され、所定の電流を流すこ
とで該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定することを
特徴とする。
【０００９】上記酸素濃度検出セルには、上記室内電極
及び上記室外電極のそれぞれに該室内電極から該室外電
極に向かう方向に電流を流す為の第１電源と、室外電極
から室内電極に向かう方向に電流を流す為の第２電源と
を所定のタイミングで接続できるように設けられ、始め
に該室内電極及び該室外電極に第１電源を接続して電流
を流し、次いで第２電源を切り替えて接続して電流を流
すことで、該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定する
ことができる。また、始めに該室内電極及び該室外電極
に第２電源を接続して電流を流し、次いで第１電源を切
り替えて接続して電流を流すことで、該酸素濃度検出セ
ルの内部抵抗値を測定することができる。
及び上記室外電極のそれぞれに該室内電極から該室外電
極に向かう方向に電流を流す為の第１電源と、室外電極
から室内電極に向かう方向に電流を流す為の第２電源と
を所定のタイミングで接続できるように設けられ、始め
に該室内電極及び該室外電極に第１電源を接続して電流
を流し、次いで第２電源を切り替えて接続して電流を流
すことで、該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定する
ことができる。また、始めに該室内電極及び該室外電極
に第２電源を接続して電流を流し、次いで第１電源を切
り替えて接続して電流を流すことで、該酸素濃度検出セ
ルの内部抵抗値を測定することができる。
【００１０】本発明のガスセンサは、上記酸素イオン伝
導性固体電解質体を所定温度に加熱するためのヒータを
備え、該ヒータの制御は、上記酸素濃度検出セルの内部
抵抗値に応じて行われるようにすることができる。
導性固体電解質体を所定温度に加熱するためのヒータを
備え、該ヒータの制御は、上記酸素濃度検出セルの内部
抵抗値に応じて行われるようにすることができる。
【００１１】
【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。
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。
【００１２】１．ガスセンサ素子の構成 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１１、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
は空隙とした検知室２１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、検知室２１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。
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１１、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
は空隙とした検知室２１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、検知室２１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。
【００１３】第１固体電解質層１１の表裏面上には検知
電極が設けられており、酸素イオンポンプセルＩｐ（以
下、酸素ポンプセルとする）として機能する。このう
ち、陽極側である室外検知電極３１１（Ｉｐ+）はヒー
タ６１側であり、陰極側である室内検知電極３１２（Ｉ
ｐ-）は検知室２１内に位置する。また、第２固体電解
質層１２の表裏面上には基準電極が設けられており、酸
素濃淡電池セルＶｓ（以下、検出セルとする）として機
能する。このうち、陽極側である室外基準電極３２１
（Ｖｓ+）は基準酸素室２３内、陰極側である室内基準
電極３２２（Ｖｓ-）は検知室２１内に位置する。
電極が設けられており、酸素イオンポンプセルＩｐ（以
下、酸素ポンプセルとする）として機能する。このう
ち、陽極側である室外検知電極３１１（Ｉｐ+）はヒー
タ６１側であり、陰極側である室内検知電極３１２（Ｉ
ｐ-）は検知室２１内に位置する。また、第２固体電解
質層１２の表裏面上には基準電極が設けられており、酸
素濃淡電池セルＶｓ（以下、検出セルとする）として機
能する。このうち、陽極側である室外基準電極３２１
（Ｖｓ+）は基準酸素室２３内、陰極側である室内基準
電極３２２（Ｖｓ-）は検知室２１内に位置する。
【００１４】２．制御回路の構成 図２にガスセンサ素子の制御回路図を示す。室内検知電
極３１２（Ｉｐ-）及び室内基準電極３２２（Ｖｓ-）は
互いに接続され、コンパレータ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、室外検知電極３１１（Ｉｐ+）はコンパレータ７
１の出力側、バッファ７６の入力側に接続されている。
更に、室外基準電極３２１（Ｖｓ+）はバッファ７４の
入力側に接続されている。ＰＩＤ７３の入力側に接続さ
れている。
極３１２（Ｉｐ-）及び室内基準電極３２２（Ｖｓ-）は
互いに接続され、コンパレータ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、室外検知電極３１１（Ｉｐ+）はコンパレータ７
１の出力側、バッファ７６の入力側に接続されている。
更に、室外基準電極３２１（Ｖｓ+）はバッファ７４の
入力側に接続されている。ＰＩＤ７３の入力側に接続さ
れている。
【００１５】コンパレータ７１は、基準となる電圧Ｖｒ
ｅｆと同じになるように酸素ポンプセルＩｐに流れる電
流を制御している。ＰＩＤ素子７２は、検出セルの起電
力Ｖｓを一定に保つように検出セルＶｓに流れる電流Ｉ
ｃｐを制御する。バッファ７３及びコンデンサ７７は、
ＰＩＤ素子の前段に設けられ、サンプルホールド動作の
ために用いられる。これらによって、検出セルＶｓの温
度測定時においても、温度測定直前の電圧Ｖｓを維持し
つつＰＩＤ素子７２へ入力することができる。
ｅｆと同じになるように酸素ポンプセルＩｐに流れる電
流を制御している。ＰＩＤ素子７２は、検出セルの起電
力Ｖｓを一定に保つように検出セルＶｓに流れる電流Ｉ
ｃｐを制御する。バッファ７３及びコンデンサ７７は、
ＰＩＤ素子の前段に設けられ、サンプルホールド動作の
ために用いられる。これらによって、検出セルＶｓの温
度測定時においても、温度測定直前の電圧Ｖｓを維持し
つつＰＩＤ素子７２へ入力することができる。
【００１６】バッファ７４は、バッファ７３及びコンデ
ンサ７７の前段に位置し、コンデンサ７７の充放電によ
って流れる電流によって、検出セルＶｓの起電力が変化
しないようにしている。コンパレータ７５は、バッファ
７３から得られるホールド値Ｖｈｏｌｄ（温度測定直前
の検出セルＶｓの起電力Ｖｓ）と、バッファ７４から得
られるサンプル値Ｖｓａｍｐｌｅ（室外基準電極３２１
の電圧）との差を、抵抗測定用の電圧ＶＲｐｖｓとして
出力する。バッファ７６は、室外検知電極３１１の電圧
ＶＩｐをＶｐリミッタと呼ばれている制限手段の入力に
入力を行う。
ンサ７７の前段に位置し、コンデンサ７７の充放電によ
って流れる電流によって、検出セルＶｓの起電力が変化
しないようにしている。コンパレータ７５は、バッファ
７３から得られるホールド値Ｖｈｏｌｄ（温度測定直前
の検出セルＶｓの起電力Ｖｓ）と、バッファ７４から得
られるサンプル値Ｖｓａｍｐｌｅ（室外基準電極３２１
の電圧）との差を、抵抗測定用の電圧ＶＲｐｖｓとして
出力する。バッファ７６は、室外検知電極３１１の電圧
ＶＩｐをＶｐリミッタと呼ばれている制限手段の入力に
入力を行う。
【００１７】定電流電源９２１、９３１は、それぞれス
イッチ８２１、８３１を介して基準電極（Ｖｓ+）３２
１、に接続されており、酸素ポンプセルＶｓの温度測定
に必要な温度測定用電流＋ＩＲｐｖｓ、−ＩＲｐｖｓを
供給する。また、定電流電源９２２、９３２は、それぞ
れスイッチ８２２、８３２を介して基準電極（Ｖｓ-）
３２２に接続されており、酸素ポンプセルＶｓに必要な
温度測定用電流−ＩＲｐｖｓ、＋ＩＲｐｖｓを供給す
る。
イッチ８２１、８３１を介して基準電極（Ｖｓ+）３２
１、に接続されており、酸素ポンプセルＶｓの温度測定
に必要な温度測定用電流＋ＩＲｐｖｓ、−ＩＲｐｖｓを
供給する。また、定電流電源９２２、９３２は、それぞ
れスイッチ８２２、８３２を介して基準電極（Ｖｓ-）
３２２に接続されており、酸素ポンプセルＶｓに必要な
温度測定用電流−ＩＲｐｖｓ、＋ＩＲｐｖｓを供給す
る。
【００１８】スイッチ８１はバッファ７４とバッファ７
３及びコンデンサ７７との間に設けられている。また、
通常の酸素濃度の測定の間（図３に示すＴ６）は閉路状
態となり、バッファ７３、７４を通じてＰＩＤ素子７２
に室外基準電極３２１（Ｖｓ +）を接続し、ＰＩＤ素子
７２による酸素ポンプセルＶｓの制御を行う。更に、酸
素ポンプセルＶｓの温度測定中は回路状態となり、温度
測定直前の室外基準電極３２１（Ｖｓ+）の電位をバッ
ファ７３及びコンデンサ７７によって維持させる。
３及びコンデンサ７７との間に設けられている。また、
通常の酸素濃度の測定の間（図３に示すＴ６）は閉路状
態となり、バッファ７３、７４を通じてＰＩＤ素子７２
に室外基準電極３２１（Ｖｓ +）を接続し、ＰＩＤ素子
７２による酸素ポンプセルＶｓの制御を行う。更に、酸
素ポンプセルＶｓの温度測定中は回路状態となり、温度
測定直前の室外基準電極３２１（Ｖｓ+）の電位をバッ
ファ７３及びコンデンサ７７によって維持させる。
【００１９】スイッチ８２１、８２２は、温度測定時の
一期間（図３に示すＴ３）だけ共に閉路状態となり、定
電流電源９２１、９２２を基準電極（Ｖｓ+）３２１及
び基準電極（Ｖｓ-）３２２に接続する。また、スイッ
チ８３１、８３２は、スイッチ８２１、８２２の閉路後
の一期間（図３に示すＴ４）だけ共に閉路状態となり、
定電流電源９３１、９３２を基準電極（Ｖｓ+）３２１
及び基準電極（Ｖｓ-）３２２に接続する。
一期間（図３に示すＴ３）だけ共に閉路状態となり、定
電流電源９２１、９２２を基準電極（Ｖｓ+）３２１及
び基準電極（Ｖｓ-）３２２に接続する。また、スイッ
チ８３１、８３２は、スイッチ８２１、８２２の閉路後
の一期間（図３に示すＴ４）だけ共に閉路状態となり、
定電流電源９３１、９３２を基準電極（Ｖｓ+）３２１
及び基準電極（Ｖｓ-）３２２に接続する。
【００２０】３．温度測定時の動作 上記制御回路を用いたガスセンサのタイミングチャート
と同時期の波形の変化を示す図を図３に示す。この図３
は、スイッチ８１、８２１、８２２、８３１、８３２の
タイミングチャートと、室外基準電極３２１（Ｖ
ｓ+）、コンパレータ７５（ＩＲｐｖｓ）、図５に示す
従来の回路におけるコンパレータ７５（ＩＲｐｖｓ）、
及び室内検知電極３１２（Ｉｐ+）の波形とを含む。
と同時期の波形の変化を示す図を図３に示す。この図３
は、スイッチ８１、８２１、８２２、８３１、８３２の
タイミングチャートと、室外基準電極３２１（Ｖ
ｓ+）、コンパレータ７５（ＩＲｐｖｓ）、図５に示す
従来の回路におけるコンパレータ７５（ＩＲｐｖｓ）、
及び室内検知電極３１２（Ｉｐ+）の波形とを含む。
【００２１】以下、温度測定時の動作を順に説明する。
図３に示すように、本ガスセンサ素子の温度測定処理
は、所定の間隔で、Ｔ６の期間をかけて行われる。尚、
Ｉｐ電流のフィードバック制御に利用されるＶｓ電圧の
測定はＴ６の期間中は行なわれない。また、Ｔ１は測定
開始直後の過渡時間、Ｔ２は電流Ｉｒｐｖｓの正方向電
流供給期間、Ｔ４は電流Ｉｒｐｖｓの負方向電流供給期
間であり、Ｔ６の期間は、Ｔ１、Ｔ２及びＴ４に加え
て、固体電解質体のリリース期間（０〜２ｍＳ）を加え
た期間となる。
図３に示すように、本ガスセンサ素子の温度測定処理
は、所定の間隔で、Ｔ６の期間をかけて行われる。尚、
Ｉｐ電流のフィードバック制御に利用されるＶｓ電圧の
測定はＴ６の期間中は行なわれない。また、Ｔ１は測定
開始直後の過渡時間、Ｔ２は電流Ｉｒｐｖｓの正方向電
流供給期間、Ｔ４は電流Ｉｒｐｖｓの負方向電流供給期
間であり、Ｔ６の期間は、Ｔ１、Ｔ２及びＴ４に加え
て、固体電解質体のリリース期間（０〜２ｍＳ）を加え
た期間となる。
【００２２】(1)始めに閉路状態となっていたスイッチ
８１を開放することで、ＰＩＤ素子７２による検出セル
Ｖｓの制御を一時停止し、検出セルＶｓの抵抗測定を可
能な状態にする。
８１を開放することで、ＰＩＤ素子７２による検出セル
Ｖｓの制御を一時停止し、検出セルＶｓの抵抗測定を可
能な状態にする。
【００２３】(2)Ｔ１期間だけ経過し、スイッチ８１の
開放による影響がみられなくなってから、スイッチ８２
１、８２２をＴ２（５０〜１００μｓ程度）の間だけ閉
じる。これによって、検出セルＶｓには、室外基準電極
３２１（Ｖｓ+）には定電流電源９２１が接続され、室
内基準電極３２２（Ｖｓ-）には定電流電源９２２が接
続され、電流＋ＩＲｐｖｓが流れる。また、定電流電源
９２２は、定電流電源９２１と同一電流量で且つ逆極性
の電源であるため、検出セルＶｓに流れた電流ＩＲｐｖ
ｓによる酸素ポンプセルＩｐの電流（Ｉｐ+）変化を、
実質無視できる程度に軽減することができる（図３に示
すＩｐ+の波形を参照）。
開放による影響がみられなくなってから、スイッチ８２
１、８２２をＴ２（５０〜１００μｓ程度）の間だけ閉
じる。これによって、検出セルＶｓには、室外基準電極
３２１（Ｖｓ+）には定電流電源９２１が接続され、室
内基準電極３２２（Ｖｓ-）には定電流電源９２２が接
続され、電流＋ＩＲｐｖｓが流れる。また、定電流電源
９２２は、定電流電源９２１と同一電流量で且つ逆極性
の電源であるため、検出セルＶｓに流れた電流ＩＲｐｖ
ｓによる酸素ポンプセルＩｐの電流（Ｉｐ+）変化を、
実質無視できる程度に軽減することができる（図３に示
すＩｐ+の波形を参照）。
【００２４】(3)Ｔ２の期間の終端Ｔ３において、図２
に示すコンパレータ７５から得られる電圧ＶＲｐｖｓを
元に、図１に示すヒータ６１に印加する電圧を決定し、
ヒータ６１の通電を制御する（ヒータ制御部の回路は図
示せず）。 (4)Ｔ２の終了後、スイッチ８２１、８２２を開放して
から、スイッチ８３１、８３２をＴ２と同一時間である
Ｔ４（５０〜１００μｓ程度）の間だけ閉じる。これに
よって、検出セルＶｓには、室外基準電極３２１（Ｖｓ
+）には定電流電源９３１が接続され、室内基準電極３
２２（Ｖｓ-）には定電流電源９３２が接続され、電流
−ＩＲｐｖｓが流れる。
に示すコンパレータ７５から得られる電圧ＶＲｐｖｓを
元に、図１に示すヒータ６１に印加する電圧を決定し、
ヒータ６１の通電を制御する（ヒータ制御部の回路は図
示せず）。 (4)Ｔ２の終了後、スイッチ８２１、８２２を開放して
から、スイッチ８３１、８３２をＴ２と同一時間である
Ｔ４（５０〜１００μｓ程度）の間だけ閉じる。これに
よって、検出セルＶｓには、室外基準電極３２１（Ｖｓ
+）には定電流電源９３１が接続され、室内基準電極３
２２（Ｖｓ-）には定電流電源９３２が接続され、電流
−ＩＲｐｖｓが流れる。
【００２５】このときの電流−ＩＲｐｖｓは、Ｔ２の期
間に流れた電流＋ＩＲｐｖｓの逆極性の同一量であり、
Ｔ２と同じ時間だけ流すことにより、Ｔ２で流れた電流
＋ＩＲｐｖｓによる、第２固体電解質層１２の配向を温
度測定前の状態に戻し、温度測定の終了後の起電力Ｖｓ
に影響がでないようにする。また、定電流電源９３２
は、定電流電源９３１と同一電流量で且つ逆極性の電源
であるため、検出セルＶｓに流れた電流ＩＲｐｖｓによ
る酸素ポンプセルＩｐの電流（Ｉｐ+）変化を、実質無
視できる程度に軽減することができる（図３に示すＩｐ
+の波形を参照）。
間に流れた電流＋ＩＲｐｖｓの逆極性の同一量であり、
Ｔ２と同じ時間だけ流すことにより、Ｔ２で流れた電流
＋ＩＲｐｖｓによる、第２固体電解質層１２の配向を温
度測定前の状態に戻し、温度測定の終了後の起電力Ｖｓ
に影響がでないようにする。また、定電流電源９３２
は、定電流電源９３１と同一電流量で且つ逆極性の電源
であるため、検出セルＶｓに流れた電流ＩＲｐｖｓによ
る酸素ポンプセルＩｐの電流（Ｉｐ+）変化を、実質無
視できる程度に軽減することができる（図３に示すＩｐ
+の波形を参照）。
【００２６】(5)Ｔ４の期間の終了後、スイッチ８３
１、８３２を開放して、検出セルＶｓに電流−ＩＲｐｖ
ｓを流すことを停止し、Ｔ５の期間だけ待つことで、検
出セルＶｓの起電力Ｖｓを安定させる。更に、Ｔ５の期
間の終了後、スイッチ８１を閉じ、酸素濃度の測定を再
開する。
１、８３２を開放して、検出セルＶｓに電流−ＩＲｐｖ
ｓを流すことを停止し、Ｔ５の期間だけ待つことで、検
出セルＶｓの起電力Ｖｓを安定させる。更に、Ｔ５の期
間の終了後、スイッチ８１を閉じ、酸素濃度の測定を再
開する。
【００２７】４．本ガスセンサの効果 本ガスセンサは、温度測定のために、室外基準電極３２
１（Ｖｓ+）から電流ＩＲｐｖｓを流す際に、室内基準
電極３２２（Ｖｓ-）から逆方向で同じ大きさの電流Ｉ
Ｒｐｖｓ流すため、図３に示すように、電流Ｉｐ+にほ
とんど影響を与えない。このため、温度測定による酸素
ポンプセルＩｐに影響を及ぼさないため、温度測定後の
酸素濃度測定に影響を与えてしまう恐れがなく、図３に
示すＴ５の期間を大幅に短縮することができる。
１（Ｖｓ+）から電流ＩＲｐｖｓを流す際に、室内基準
電極３２２（Ｖｓ-）から逆方向で同じ大きさの電流Ｉ
Ｒｐｖｓ流すため、図３に示すように、電流Ｉｐ+にほ
とんど影響を与えない。このため、温度測定による酸素
ポンプセルＩｐに影響を及ぼさないため、温度測定後の
酸素濃度測定に影響を与えてしまう恐れがなく、図３に
示すＴ５の期間を大幅に短縮することができる。
【００２８】また、温度測定による電流Ｉｐ+にほとん
ど影響を与えないため、オペアンプ７８からなる印加電
圧制限回路が誤動作せず、電流ＩＲｐｖｓの制限が行わ
れることがない、このため、測定用電流ＩＲｐｖｓが変
動することがなく、正確な酸素ポンプセルＩｐの抵抗を
測定することができる。
ど影響を与えないため、オペアンプ７８からなる印加電
圧制限回路が誤動作せず、電流ＩＲｐｖｓの制限が行わ
れることがない、このため、測定用電流ＩＲｐｖｓが変
動することがなく、正確な酸素ポンプセルＩｐの抵抗を
測定することができる。
【００２９】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、本実施例
においては温度測定のための電流ＩＲｐｖｓを流すため
の定電流電源は、図２に示すように４組の定電流電源９
２１、９２２、９３１、９３２としたが、これに限ら
ず、図４に示すように共通とした、２組の定電流電源９
３、９４とすることができる。
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、本実施例
においては温度測定のための電流ＩＲｐｖｓを流すため
の定電流電源は、図２に示すように４組の定電流電源９
２１、９２２、９３１、９３２としたが、これに限ら
ず、図４に示すように共通とした、２組の定電流電源９
３、９４とすることができる。
【００３０】更に、実施例で示したＴ１、Ｔ２、Ｔ４〜
Ｔ６の期間は、これに限らず、測定対象であるガスセン
サ素子や、使用環境（外気温度、被測定対象の温度等）
に応じて適宜変更することができる。
Ｔ６の期間は、これに限らず、測定対象であるガスセン
サ素子や、使用環境（外気温度、被測定対象の温度等）
に応じて適宜変更することができる。
【００３１】
【発明の効果】本発明のガスセンサによれば、ガスセン
サ素子の温度測定後の酸素濃度測定に対する影響が少な
く、温度測定に要する期間を短くすることができる。ま
た、回路に付随する制限手段によって制限されることな
く、温度測定を正確に行うことができる。
サ素子の温度測定後の酸素濃度測定に対する影響が少な
く、温度測定に要する期間を短くすることができる。ま
た、回路に付随する制限手段によって制限されることな
く、温度測定を正確に行うことができる。
【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。
めの断面図である。
【図２】本実施例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。
るための回路図である。
【図３】スイッチのタイミングチャートと、実施例のＶ
ｓセル及びＩｐセルの電圧と、比較例のＩｐセルの電圧
とを示すためのグラフである。
ｓセル及びＩｐセルの電圧と、比較例のＩｐセルの電圧
とを示すためのグラフである。
【図４】他の態様の本発明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。
を説明するための回路図である。
【図５】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。
ための回路図である。
１１；第１固体電解質層、１２；第２固体電解質層、２
１；検知、２３；基準酸素室、３１１；室外検知電極
（Ｉｐ+）、３１２；室内検知電極（Ｉｐ-）、３２１；
室外基準電極（Ｖｓ+）、３２２；室内基準電極（Ｖ
ｓ-）、４１；拡散通路、５１、５２；絶縁層、６１；
ヒータ、７１、７３、７４、７５、７６、７８；オペア
ンプ、７２；ＰＩＤ素子、８１、８２１、８２２、８３
１、８３２；スイッチ、９２１、９２２、９３１、９３
２、９４、９５；定電流電源、Ｉｐ；酸素ポンプセル
（酸素イオンポンプセル）、Ｖｓ；検出セル（酸素濃淡
電池セル）。
１；検知、２３；基準酸素室、３１１；室外検知電極
（Ｉｐ+）、３１２；室内検知電極（Ｉｐ-）、３２１；
室外基準電極（Ｖｓ+）、３２２；室内基準電極（Ｖ
ｓ-）、４１；拡散通路、５１、５２；絶縁層、６１；
ヒータ、７１、７３、７４、７５、７６、７８；オペア
ンプ、７２；ＰＩＤ素子、８１、８２１、８２２、８３
１、８３２；スイッチ、９２１、９２２、９３１、９３
２、９４、９５；定電流電源、Ｉｐ；酸素ポンプセル
（酸素イオンポンプセル）、Ｖｓ；検出セル（酸素濃淡
電池セル）。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 早川 暢博 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内 (72)発明者 家田 典和 名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特殊 陶業株式会社内
Claims (4)
- 【請求項１】 外部の測定ガス雰囲気と所定の拡散抵抗
下で連通している測定室と、該測定室に面する酸素イオ
ン伝導性固体電解質体からなる酸素濃度検出セル及び酸
素ポンプセルとを備え、 該酸素濃度検出セル及び該酸素ポンプセルには、該測定
室に面する室内電極、及び該測定室に面しない室外電極
を具備し、該酸素濃度検出セルの該室外電極が所定の酸
素分圧の基準酸素源に接触し、該酸素濃度検出セルの電
極間に発生した電圧に応じて、該酸素ポンプセルに電流
を流すことで、該測定ガス雰囲気の濃度を求めるガスセ
ンサであって、 該酸素濃度検出セル及び該酸素ポンプセルの室内電極は
互いに接続され、且つ、所定の電位となるよう制御さ
れ、該酸素濃度検出セルの室内電極及び該室外電極は、
所定のタイミングでそれぞれに少なくとも１つの電源が
接続され、所定の電流を流すことで該酸素濃度検出セル
の内部抵抗値を測定することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項２】 上記酸素濃度検出セルには、上記室内電
極及び上記室外電極のそれぞれに該室内電極から該室外
電極に向かう方向に電流を流す為の第１電源と、室外電
極から室内電極に向かう方向に電流を流す為の第２電源
とを所定のタイミングで接続できるように設けられ、 始めに該室内電極及び該室外電極に第１電源を接続して
電流を流し、次いで第２電源を切り替えて接続して電流
を流すことで、該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定
する請求項１記載のガスセンサ。 - 【請求項３】 上記酸素濃度検出セルには、上記室内電
極及び上記室外電極のそれぞれに該室内電極から該室外
電極に向かう方向に電流を流す為の第１電源と、室外電
極から室内電極に向かう方向に電流を流す為の第２電源
とを所定のタイミングで接続できるように設けられ、 始めに該室内電極及び該室外電極に第２電源を接続して
電流を流し、次いで第１電源を切り替えて接続して電流
を流すことで、該酸素濃度検出セルの内部抵抗値を測定
する請求項１記載のガスセンサ。 - 【請求項４】 上記酸素イオン伝導性固体電解質体を所
定温度に加熱するためのヒータを備え、該ヒータの制御
は、上記酸素濃度検出セルの内部抵抗値に応じて行われ
る請求項１記載のガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001052976A JP4444520B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001052976A JP4444520B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002257783A true JP2002257783A (ja) | 2002-09-11 |
| JP4444520B2 JP4444520B2 (ja) | 2010-03-31 |
Family
ID=18913515
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001052976A Expired - Lifetime JP4444520B2 (ja) | 2001-02-27 | 2001-02-27 | ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP4444520B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006343317A (ja) * | 2005-05-09 | 2006-12-21 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 素子インピーダンス検出装置 |
| JP2007205819A (ja) * | 2006-01-31 | 2007-08-16 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガス濃度検出システム |
| DE102008022110A1 (de) | 2007-05-07 | 2008-11-27 | NGK Spark Plug Co., Ltd., Nagoya-shi | Sensorsteuervorrichtung |
| JP2015203599A (ja) * | 2014-04-11 | 2015-11-16 | 株式会社デンソー | 酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置 |
-
2001
- 2001-02-27 JP JP2001052976A patent/JP4444520B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006343317A (ja) * | 2005-05-09 | 2006-12-21 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 素子インピーダンス検出装置 |
| JP4508123B2 (ja) * | 2005-05-09 | 2010-07-21 | 日本特殊陶業株式会社 | 素子インピーダンス検出装置 |
| JP2007205819A (ja) * | 2006-01-31 | 2007-08-16 | Ngk Spark Plug Co Ltd | ガス濃度検出システム |
| JP4614210B2 (ja) * | 2006-01-31 | 2011-01-19 | 日本特殊陶業株式会社 | ガス濃度検出システム |
| DE102008022110A1 (de) | 2007-05-07 | 2008-11-27 | NGK Spark Plug Co., Ltd., Nagoya-shi | Sensorsteuervorrichtung |
| DE102008022110B4 (de) * | 2007-05-07 | 2019-05-23 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Sensorsteuervorrichtung zum Steuern eines Stromapplizierungszustands eines Gassensorelements |
| JP2015203599A (ja) * | 2014-04-11 | 2015-11-16 | 株式会社デンソー | 酸素濃度センサの素子インピーダンス検出装置 |
| US9869656B2 (en) | 2014-04-11 | 2018-01-16 | Denso Corporation | Impedance detector for oxygen concentration sensor element |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP4444520B2 (ja) | 2010-03-31 |
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