JP2004286685A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させること。
【解決手段】ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０よりなるセンサ素子を備え、これら各セル１１０〜１３０はヒータ１５１の発熱により活性状態に保持される。センサ制御ユニット１０は、特定成分濃度に対応してセンサ素子に流れる微弱な素子電流を計測すると共にヒータ１５１を断続的に通電する。センサ制御ユニット１０は電気配線Ｈ１〜Ｈ４を通じてガス濃度センサ１００に電気的に接続されている。微弱な素子電流を流す電気配線Ｈ２，Ｈ３とヒータ電流を流す電気配線Ｈ４は束ねられてなり、電気配線Ｈ２，Ｈ３では素子電流が流れる芯線の外側に、グランド電位としたシールド層が設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出するものがある。ガス濃度センサは、例えばポンプセル、センサセル及びモニタセルよりなるセンサ素子を有し、ポンプセルではチャンバに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ同時に排ガス中の酸素濃度検出が行われる。また、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度（特定成分のガス濃度）が検出され、モニタセルではポンプセル通過後のチャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
【０００３】
上記ガス濃度センサでは、センサ素子が所定の活性状態にあることを前提に酸素濃度やＮＯｘ濃度が正常に検出される。そのため一般には、センサ素子の近傍にヒータを設け、このヒータの発熱によりセンサ素子を加熱して素子活性状態を保持するようにしている。例えば、センサ素子の抵抗値を検出し、その素子抵抗値が活性温度相当の目標値になるようヒータを断続的に通電するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
より具体的に説明すると、ガス濃度センサとしていわゆるＮＯｘセンサでは、センサセルのＮＯｘ活性電極において排ガス中のＮＯｘが分解され、その際発生する酸素イオンが当該センサセル内を流れる。このとき、センサセル内を流れる電流を計測することによりＮＯｘ濃度が検出される。センサセル電流はｎＡ（ナノアンペア）オーダの微弱電流であり、センサ制御回路内の高抵抗（例えば１．５ＭΩ）の電流検出抵抗を通じてその微弱電流が計測されるようになっている。一方、ヒータはヒータ駆動回路により断続的に通電される。このとき、Ａ（アンペア）オーダのヒータ電流がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【０００５】
一般に、センサ制御回路やヒータ駆動回路は同一の回路基板上に搭載され、その回路基板が金属ケース等に収容されてセンサ制御ユニットが構成されている。センサ制御ユニットとガス濃度センサとは配線ユニットを介して電気的に接続され、これらの両者間においてセンサセル電流等の素子電流信号やヒータ電流信号が配線ユニットを通じて流れるようになっている。なお、配線ユニットを構成する電気配線は、耐熱性を考慮して樹脂材料等よりなる被覆材で覆われるようになっている。被覆材として、例えば、ガラス編組シリコン被覆材、シリコン編成ＥＰＤＭゴム、ナイロン、ポリアミド等の樹脂材料が用いられる。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−１７１４３５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
センサ制御ユニットとガス濃度センサとを電気的に接続する配線ユニットには、ｎＡオーダの微弱な素子電流が流れる電気配線とＡオーダのヒータ電流が流れる電気配線とが含まれ、通常はこれらが束ねられて取り回されるようになっている。この場合、素子電流とヒータ電流を単純に比較すると電流レベルが１０^９倍異なるため、素子電流用の電気配線には、ヒータのＯＮ／ＯＦＦ切り換え時に発生するノイズ（誘導ノイズや容量結合ノイズ）が乗ってしまい、ＮＯｘ濃度の必要な検出精度が確保できなくなるおそれがあった。かかる問題は、電波試験（ＥＭＣ試験）においても確認されている。また近年では、車両に搭載される各種電気機器が益々増える傾向にあり、素子電流信号に影響を及ぼすノイズ源が増加しているという背景もある。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができるガス濃度検出装置を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
ガス濃度センサは、固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と、該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えており、本発明のガス濃度検出装置はこのガス濃度センサに適用される。そして、上記ガス濃度センサとセンサ制御ユニットとが配線ユニットを通じて電気的に接続され、センサ制御ユニットでは、特定成分濃度に対応してセンサ素子に流れる微弱な素子電流が計測されると共にヒータが断続的に通電されるようになっている。
【００１０】
請求項１に記載の発明では、前記配線ユニットは、素子電流を流すための素子電流線とヒータに電力を供給するためのヒータ線とを束ねてなり、素子電流線において素子電流が流れる芯線よりも外側にグランド電位としたシールド層が設けられている。素子電流線側では流れる素子電流が微弱であるため、ヒータ線から誘導ノイズや容量結合ノイズの影響を受けるが、上記の如く素子電流線の芯線よりも外側（すなわち芯線の周囲）にシールド層を設けたことにより、これらノイズの影響が排除できる。また、耐ノイズ性が向上することから、車載の各種電気機器が増えてノイズ源が増加してもそれに好適に対処できる。その結果、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができるようになる。
【００１１】
請求項２に記載したように、前記素子電流線において、前記芯線の周囲を被覆層にて覆い、更にその被覆層の外側を前記シールド層にて覆うと良い。こうして芯線とシールド層との間に被覆層を介在させる構成では、芯線とシールド層との電位差により被覆層を通じて素子電流がリークするおそれが生ずる。そこで、素子電流のリークを抑制するには、被覆層の特性として、請求項３に記載したように、前記被覆層は体積抵抗率が１．０×１０^１２（Ω・ｃｍ）以上であると良い。
【００１２】
被覆層の上記特性を満たすには、請求項４に記載したように、前記被覆層としてテフロン（登録商標）を用いると良い。被覆層に要求される体積抵抗率は、素子電流の要求精度や配線の長さ等の条件によって大小変わるが、テフロン（登録商標）の体積抵抗率は１．０×１０^１８（Ω・ｃｍ）以上であり、上記請求項３で規定した条件を余裕を持って満たす。故に、被覆層としてテフロン（登録商標）を用いることにより、素子電流のリークが確実に抑制できる。
【００１３】
請求項５に記載の発明では、前記素子電流線は複数の芯線を有し、それら複数の芯線をまとめて前記シールド層で覆っている。この場合、複数の芯線が集約でき、素子電流線としてのまとまりを良くすることができる。まとめてシールド層で覆われる芯線はそれぞれに微弱電流を流すものであり、相互にノイズ等の影響を及ぼすこともない。
【００１４】
素子電流線の構成としては請求項６，７が適用できる。すなわち、請求項６に記載の発明では、素子電流線は、被覆層で覆われた芯線を有し、その外側にシールド層を施し、更にその外側に保護層を設けたものとする。また、請求項７に記載の発明では、素子電流線は、各々被覆層で覆われた複数の芯線を有し、それら複数の芯線の外側にシールド層を施し、更にその外側に保護層を設けたものとする。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、前記素子電流線におけるシールド層をグランド電位に接続するグランド処理と、前記ヒータをグランド電位に接続するグランド処理とを別個に施している。これにより、ヒータ側のグランド電位（基準電位）が変動しても、シールド層側のグランド電位に悪影響が及ぶといった不都合が回避できる。
【００１６】
請求項９に記載の発明では、前記配線ユニットはコネクタ部材を介して前記センサ制御ユニットに接続されており、前記コネクタ部材の外周にシールドを施している。これにより、コネクタ部材における耐ノイズ性が向上し、ガス濃度の検出精度向上を図る上でより一層望ましい構成が実現できる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明では、前記素子電流線を前記センサ制御ユニットに接続するための素子電流用コネクタと、前記ヒータ線を同センサ制御ユニットに接続するためのヒータ用コネクタとを各々別個に設けている。これにより、素子電流用コネクタにおける耐ノイズ性が向上し、ガス濃度の検出精度向上を図る上でより一層望ましい構成が実現できる。なお、素子電流用コネクタの外周にシールドを施し、更なる耐ノイズ性の向上を図ることも可能である。
【００１８】
また、請求項１１，１３に記載の発明では、前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部を導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースの閉空間に収容すると共に該ケースの壁部に貫通コンデンサを配置し、更に前記配線ユニットに電気接続される接続回路部を前記閉空間の外に配置し、該接続回路部と前記制御回路部とを貫通コンデンサを通じて電気的に接続した。本構成によれば、配線ユニットに重畳した外部の電波ノイズが貫通コンデンサにて吸収される。また、センサ制御ユニットの制御回路部は、接続回路部（配線ユニット）から分離された閉空間に配置されるため、制御回路部に対する外部ノイズ等の影響が確実に排除できる。この場合、センサ制御ユニットでは微弱な素子電流が扱われ、この素子電流により特定成分濃度が検出されるが、その際にも電波ノイズ等による悪影響が抑制できる。その結果、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができるようになる。
【００１９】
請求項１２，１４に記載の発明では、導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースを同じく導電性材料よりなり且つグランド電位とした仕切板により２つの部屋に区画すると共に該仕切板に貫通コンデンサを配置し、前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部と前記配線ユニットに電気接続される接続回路部とを前記２つの部屋に各々収容してこれら回路部を貫通コンデンサを通じて電気的に接続した。本構成によれば、配線ユニットに重畳した外部の電波ノイズが貫通コンデンサにて吸収される。また、センサ制御ユニットの制御回路部が接続回路部から隔離されて別部屋に設けられるため、制御回路部に対する外部ノイズ等の影響が確実に排除できる。この場合、センサ制御ユニットでは微弱な素子電流が扱われ、この素子電流により特定成分濃度が検出されるが、その際にも電波ノイズ等による悪影響が抑制できる。その結果、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができるようになる。
【００２０】
上記請求項１２，１４の発明では請求項１５に記載したように、同一の回路基板に前記制御回路部と前記接続回路部とを設け、前記回路基板上に立てるようにして両回路部の間に前記仕切板を設置しても良い。なおこの場合、回路基板上で配線ユニットを接続する面と、仕切板を立てる面とは同一とすると良い。
【００２１】
請求項１６に記載したように、前記貫通コンデンサの容量は１０００ｐＦ以上であると良い。
【００２２】
また、例えば、自動車排ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサは、チャンバ内の酸素の出入を調整するポンプセルや、ポンプセル通過後のガスからＮＯｘを分解しその際移動する酸素イオン量よりＮＯｘ濃度を検出するセンサセルを有しており、そのセンサセルに流れる電流はｎＡオーダの微弱電流となる。こうしたＮＯｘセンサに本発明が好適に採用できる。要は、請求項１７に記載したように、前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、第１セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第２セルとを有し、前記センサ制御ユニットは、少なくとも第２セルに流れる微弱電流を計測するものであると良い。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、例えば自動車用エンジンに適用されるものであって、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガス中の酸素濃度や特定成分のガス濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。
【００２４】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図６及び図７を用いて説明する。ガス濃度センサは、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル及び「第３セル」としてのモニタセルからなる３セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている（但し、ＮＯｘセンサとしての具体化も可能）。本実施の形態では、上記３セルによりセンサ素子が構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。図６（ａ）はセンサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。図７は、ガス濃度センサの外観を示す全体図である。
【００２５】
図７に示すように、ガス濃度センサ１００は、先端側カバー１０１とハウジング１０２と基端側カバー１０３とを有し、全体として略円柱状をなす。そして、センサ内部に、被検出ガスを導入するガス室や大気を導入する大気室等が適宜設けられると共に、長尺状をなすセンサ素子１０５が配設されている。
【００２６】
図６に示すように、ガス濃度センサ１００（センサ素子１０５）において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質１４１，１４２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１にはピンホール１４１ａが形成されており、このピンホール１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００２７】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５０側に排出する。
【００２８】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００２９】
特に本実施の形態では、図６（ｂ）に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル１２０及びセンサセル１３０が並列に配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１４８側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。なお、モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。
【００３０】
固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５０が形成されている。また、絶縁層１４９には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）１５１が埋設されている。ヒータ１５１はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ素子全体を活性状態にすべく、バッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。
【００３１】
上記構成のガス濃度センサ１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出される。そして、ポンプセル１１０に流れた電流（ポンプセル電流Ｉｐ）により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【００３２】
ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧Ｖｍを印加することでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路１４８に排出される。このとき、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００３３】
因みに、ポンプセル１１０では、その都度の排ガス中の酸素濃度（すなわちポンプセル電流Ｉｐ）に応じて印加電圧Ｖｐが可変に制御されるようになっており、一例として、当該ポンプセル１１０の限界電流特性に基づき作成された印加電圧マップを用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに応じて印加電圧Ｖｐが制御される。これにより、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど印加電圧が高電圧側にシフトするようにして印加電圧制御が実施される。
【００３４】
図１は、ガス濃度検出装置のシステム構成を示すブロック図である。図１において、センサ制御ユニット１０は、センサ制御部１１とヒータ制御部１２と入出力部（Ｉ／Ｏポート）１３とを有し、センサ制御部１１は電気配線Ｈ１，Ｈ２，Ｈ３を介して前述のポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０にそれぞれ電気的に接続されている。センサ制御部１１は、周知の通りガス濃度センサ１００の各セル１１０〜１３０に対して所定の印加電圧を付加する機能や、電流検出抵抗を通じて各セル１１０〜１３０に流れる電流信号（素子電流）を計測する機能を有する。
【００３５】
この場合、ポンプセル１１０に流れるｍＡ（ミリアンペア）オーダの電流信号は電気配線Ｈ１を通じてセンサ制御部１１に流れ、同制御部１１内の電流検出抵抗により計測される。そして、該計測されたポンプセル電流信号に基づいて排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）が検出される。また、モニタセル１２０及びセンサセル１３０に流れるｎＡ（ナノアンペア）オーダの電流信号は電気配線Ｈ２，Ｈ３を介してセンサ制御部１１に流れ、その各々が同制御部１１内の電流検出抵抗により計測される。そして、モニタセル電流信号により第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度が検出されると共に、センサセル電流信号によりＮＯｘ濃度が検出される。このとき、酸素濃度やＮＯｘ濃度の検出値は、入出力部１３及び電気配線Ｈ５を通じて外部のエンジンＥＣＵ２０等に出力されるようになっている。
【００３６】
また、ヒータ制御部１２は電気配線Ｈ４を介してヒータ１５１に電気的に接続されており、このヒータ制御部１２によりヒータ１５１が断続的に通電される。つまり、ヒータ制御部１２は、スイッチング素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）や駆動用ドライバ等を有しており、例えばＣＰＵ等の演算部より出力されるＤｕｔｙ信号によりヒータ１５１へ供給される電力がＰＷＭ制御される。
【００３７】
電気配線Ｈ１〜Ｈ５は、一般には取り回し等を考慮してタイラップ（登録商標）等の結束バンドにより束ねられており、配線両端部に設けられたコネクタ部と合わせて配線ユニットを構成している（図示は略す）。また、特にモニタセル１２０及びセンサセル１３０に接続される電気配線Ｈ２，Ｈ３はｎＡレベルの微弱な素子電流を流すものであり、これが「素子電流線」に該当し、ヒータ１５１に接続される電気配線Ｈ４はＡレベルの電流を流すものであり、これが「ヒータ線」に該当する。
【００３８】
上記センサ制御ユニット１０において、センサ制御部１１やヒータ制御部１２を構成するための各種電気部品やマイクロコンピュータ等は同一のセンサ制御回路基板に実装され、その回路基板が薄型の四角箱状をなすケースに収容されている。この場合、センサ制御部１１はｎＡレベルの微弱電流を検出する回路構成を含んでおり、外部ノイズを極力取り込まないようにする必要がある。以下、ノイズ対策を含めてセンサ制御ユニット１０の特徴的な構成を説明する。
【００３９】
図２はセンサ制御ユニット１０の具体的構成を示す図面であり、図２の（ａ）はケース３０のケース本体３１から蓋体３７を取り外した状態のセンサ制御ユニット１０の構成を示す斜視図、（ｂ）は同ユニット１０のＸ−Ｘ線断面図である。
【００４０】
ケース本体３１は、アルミニウム等の金属又は導電性プラスチックといった導電性材料により有底箱状に成形され、ケース内部は同じく導電性材料よりなる仕切板３２により２部屋に分割されている。この場合、一方の部屋にはセンサ制御回路基板３３が収容され、他方の部屋には配線接続基板３４が収容されている。ケース本体３１とこれに接触する仕切板３２は共にグランド電位となっている。センサ制御回路基板３３が「制御回路部」に相当し、配線接続基板３４が「接続回路部」にそれぞれ相当する。便宜上以下の説明では、センサ制御回路基板３３を収容した部屋を第１室Ａ、配線接続基板３４を収容した部屋を第２室Ｂと称する。
【００４１】
仕切板３２には複数の貫通コンデンサ３５が横一列に取り付けられており、仕切板３２がケース本体３１と接触して導通されることにより、貫通コンデンサ３５の内部端子が仕切板３２及びケース本体３１を介してグランドに接続されるようになっている。貫通コンデンサ３５の両端より延びるリード線３５ａ，３５ｂはそれぞれセンサ制御回路基板３３、配線接続基板３４に接続されており、この両基板３３，３４が貫通コンデンサ３５を通じて電気的に接続されている。貫通コンデンサ３５は１０００ｐＦ以上の容量特性を有するものであると良い。本構成では、仕切板３２はケース３０内を２部屋に分割する役目を果たすことに加え、複数の貫通コンデンサ３５を保持し且つその内部端子をグランド接続する役目を果たすものとなっている。
【００４２】
なお図２には、５個の貫通コンデンサ３５を図示しているが、これは簡易的に示しただけであり、実際にはセンサ制御回路基板３３に設けられた接続端子の数だけ、すなわち電気配線Ｈ１〜Ｈ５に含まれる芯線（ワイヤ）の数だけの貫通コンデンサ３５が設けられている。
【００４３】
また、ケース本体３１の一側面には矩形状に切り欠かれた配線取込口３６が形成されており、この配線取込口３６を介して電気配線Ｈ１〜Ｈ５がケース３０内に取り込まれ、配線接続基板３４に対しての電気的な接続がなされるようになっている。そして、上記の通りケース本体３１内に仕切板３２や回路基板３３，３４を配置した状態で蓋体３７が取り付けられる。これにより、センサ制御回路基板３３を収容する第１室Ａはほぼ密閉された状態となる。
【００４４】
上記センサ制御ユニット１０の構成によれば、センサ制御回路基板３３を収容する第１室Ａが配線接続基板３４を収容する第２室Ｂから実質的に隔てて設けられ、更にケース３０の電位がグランド電位となっているため、第１室Ａ側では第２室Ｂ側に入り込む外部からの電波ノイズ等の影響が排除できる。また、電気配線Ｈ１〜Ｈ５に重畳した電波ノイズを貫通コンデンサ３５にて吸収することが可能となる。以上により、センサ制御回路基板３３の安定動作が維持でき、その信頼性が向上する。
【００４５】
一方、上述した通りガス濃度センサ１００とセンサ制御ユニット１０とを電気的に接続する電気配線Ｈ１〜Ｈ４のうち、特にｎＡレベルの微弱な素子電流を流す電気配線Ｈ２，Ｈ３では、これに並走しＡレベルのヒータ電流を流す電気配線Ｈ４から誘導ノイズや容量結合ノイズの影響を受け、結果としてＮＯｘ濃度の検出精度が低下することが懸念される。そこで、電気配線Ｈ２，Ｈ３のノイズ対策として同電気配線Ｈ２，Ｈ３にシールドを付加する構成を採用する。なお、比較的大きな電流を流す電気配線Ｈ１，Ｈ４に関してはシールドを付加せず、従来通りの樹脂被覆構成としている。
【００４６】
図３は、電気配線Ｈ２，Ｈ３を具体的するための配線構造を示す斜視図であり、同図には複数（図では２本）の芯線をまとめてシールド層で覆った多芯構造を示している。
【００４７】
図３において、芯線４１は個別に絶縁材料よりなる被覆層４２にて覆われ、それらがまとめて編組シールドよりなるシールド層４３で覆われる構成となっている。そして更に、シールド層４３の外周がビニルシース４４により覆われている。シールド層４３は、錫メッキ軟銅線やステンレス（ＳＵＳ３０４）系の材料など導電性が高い材料により構成され、その編組密度は９０％以上であることが望ましい。但し、編組シールドに代えて横巻シールドにしたり、導体テープ等を用いたりすることも可能であり、実質的にシールド効果が得られる材質・構造であれば良い。図中の符号４５はドレインワイヤであり、例えばドレインワイヤ４５がセンサ制御ユニット１０のケース３０に接続されることにより、シールド層４３の電位がグランド電位に落とされるようになっている。
【００４８】
電気配線Ｈ２，Ｈ３の構成として、芯線４１を１本ずつ個別にシールド層４３で覆う構成であっても良く、図４にはその構造を示している。
【００４９】
また、図５は、シールド被覆の各種形態を示す断面図である。図５の（ａ）では、芯線４１を被覆層４２で覆い、その外側にシールド層４３を施し、更にその外側（最外周）に保護層としてのビニルシース４４を設けている。また、図５の（ｂ）では、複数の芯線４１を各々被覆層４２で覆い、その外側にシールド層４３を施し、更にその外側（最外周）にビニルシース４４を設けている。シールド層４３の内側には、当該シールド層４３に接するようにしてドレインワイヤ４５を設けている。図５の（ｃ）は、複数の芯線４１を各々被覆層４２で覆い、その外側にシールド層４３を施している。そして、シールド層４３を直接グランド電位に落とすようにしている。上記各構成は、同軸ケーブルとしての構成を有するものである。
【００５０】
上記の配線構造では、電気配線Ｈ２，Ｈ３において、芯線４１に周囲を覆うシールド層４３を設け且つ該シールド層４３をグランド電位としたことにより、ヒータ用の電気配線Ｈ４からの誘導ノイズ・容量結合ノイズやその他電波ノイズ等、外部ノイズによる影響が排除できる。故に、本来目的とするｎＡレベルの素子電流が精度良く検出できるようになる。
【００５１】
上記の如く構成した電気配線Ｈ２，Ｈ３では、芯線４１に１Ｖ程度の電圧がかかる一方、シールド層４３の電位がグランド電位に落とされるため、被覆層４２の内外にかかる電位差により当該被覆層４２を通じての漏れ電流（リーク電流）の発生が懸念される。そこで、被覆層４２を通じての漏れ電流による影響を排除すべく、被覆層４２の特性である体積抵抗率ρを１．０×１０^１２（Ω・ｃｍ）以上とするのが望ましい。
【００５２】
要するに、図８に示すように、材料の平均断面積をＳ（ｃｍ２）、電気抵抗の測定距離をＬ（ｃｍ）、電気抵抗値をＲ（Ω）とした場合、材料の体積抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）は、
ρ＝（Ｓ／Ｌ）×Ｒ …（１）
の関係で表される。この関係を電気配線の被覆層に置き直して考える。図９は１芯構造の電気配線を示しており、同図には前記図３，図４等と同じ部品番号を付している。図９の（ａ）は電気配線の外観を示す斜視図であり、（ｂ）は同電気配線の層構造を示す正面図である。
【００５３】
図９において、Ｒｓは芯線半径、Ｗｗは被覆層４２の長さであり、芯線４１とシールド層４３間の距離（すなわち被覆層４２の厚み）が測定距離Ｌに相当する。この場合、平均断面積Ｓは「Ｓ＝π（２Ｒｓ＋Ｌ）×Ｗｗ」で表すことができ、これを上記（１）式に当てはめると、次式が得られる。
【００５４】
ρ＝Ｒ×｛π（２Ｒｓ＋Ｌ）×Ｗｗ｝／Ｌ …（２）
ここで、モニタセル１２０やセンサセル１３０に流れる素子電流は５００ｎＡ（０．５μＡ）程度であり、許容できる漏れ電流が素子電流の０．２％（１ｎＡ）であるとすると、被覆層４２に要求される抵抗値Ｒは１ＧΩ以上となる（Ｒ＝１（Ｖ）／１（ｎＡ）≧１×１０^９Ω＝１ＧΩ）。また、一般的な電線材の仕様よりＲｓ＝０．０５ｃｍ、Ｌ＝０．０５ｃｍとし、更にＷｗ＝１００ｃｍとすると、上記（２）式より、体積抵抗率ρ≧０．９４×１０^１２（Ω・ｃｍ）となる。故に、ρ≧１．０×１０^１２（Ω・ｃｍ）とすることで、素子電流の要求精度が満たされることとなる。
【００５５】
被覆層４２としてテフロン（登録商標）を用いる場合、カタログ等によるスペックでは体積抵抗率ρ≧１０^１８（Ω・ｃｍ）であり、上記要求を余裕を持って満たすこととなる。但し、テフロン（登録商標）以外にも、体積抵抗率ρ≧１０^１２（Ω・ｃｍ）を満足することを条件に、他の材料よりなる被覆層を採用しても良い。例えば一般的に自動車用ワイヤとして使用されるＡＶ線を用いる場合、スペック上の体積抵抗率ρは１０^１０〜１０^１５（Ω・ｃｍ）程度であり、体積抵抗率ρ≧１０^１２（Ω・ｃｍ）を満足するよう管理することで被覆層４２としての使用が可能となる。テフロン（登録商標）を用いる場合には、こうした管理の煩わしさから開放されるという利点もある。
【００５６】
上記計算例では、被覆層長さＷｗを１００ｃｍ、芯線電圧を１Ｖと仮定したが、被覆層長さＷｗが長くなれば抵抗値Ｒが小さくなり、芯線電圧が高くなると漏れ電流が大きくなる。故に、体積抵抗率ρ≧１０^１８（Ω・ｃｍ）のテフロン（登録商標）線を使用することにより一層、漏れ電流（リーク電流）に対し有利に働くと考えられる。
【００５７】
また図示は省略するが、本実施の形態では、微弱な素子電流を流す電気配線Ｈ２，Ｈ３におけるシールド層４３をグランド電位に接続するグランド処理と、ヒータ１５１をグランド電位に接続するグランド処理とを別個に施す構成としている。具体的には、電気配線Ｈ２，Ｈ３のシールド層４３をセンサ制御ユニット１０のグランドに接続し、ヒータ１５１の負側端子をエンジン又はエンジンＥＣＵ２０のグランドに接続している。これにより、ヒータ１５１側のグランド電位（基準電位）が変動しても、シールド層４３側のグランド電位に悪影響が及ぶといった不都合が回避できる。
【００５８】
配線ユニットを構成するコネクタ部について、そのコネクタ部外周にシールドを施す構成としても良い。例えば、図１０に示すように、コネクタ部６０を取り囲んでシールド材としてのケーシング６１を被せる。この場合、コネクタ部６０は樹脂成型品よりなり、ケーシング６１は金属等の導電性が高い材料よりなる。ケーシング６１はグランド電位である。ケーシング６１に代えて、コネクタ部６０の外周部に導体テープ等を巻く構成であっても良い。これにより、コネクタ部６０における耐ノイズ性が向上し、ガス濃度（本実施の形態ではＮＯｘ濃度）の検出精度向上を図る上でより一層望ましい構成が実現できる。
【００５９】
また、微弱な素子電流を流す電気配線Ｈ２，Ｈ３をセンサ制御ユニット１０に接続するための素子電流用コネクタと、ヒータ用の電気配線Ｈ４を同センサ制御ユニット１０に接続するためのヒータ用コネクタとを各々別個に設ける構成としても良い。これにより、素子電流用コネクタにおける耐ノイズ性が向上し、ガス濃度の検出精度向上を図る上でより一層望ましい構成が実現できる。なお、素子電流用コネクタの外周にシールド（例えば図１０のケーシング６１）を施し、更なる耐ノイズ性の向上を図ることも可能である。
【００６０】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００６１】
素子電流用の電気配線Ｈ２，Ｈ３において芯線４１の周囲にシールド層４３を設けたことにより、ヒータ用電気配線Ｈ４から受ける誘導ノイズや容量結合ノイズの影響が排除できる。また、耐ノイズ性が向上することから、車載の各種電気機器が増えてノイズ源が増加してもそれに好適に対処できる。その結果、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度（本実施の形態ではＮＯｘ濃度）の検出精度を向上させることができるようになる。ノイズ対策として、微弱電流が流れる電気配線Ｈ２，Ｈ３とヒータ電流が流れる電気配線Ｈ４との距離を離して配置し管理することも考えられるが、本実施の形態によれば、こうした管理上の煩わしさからも解放されるようになる。
【００６２】
被覆層４２は体積抵抗率が１．０×１０^１２（Ω・ｃｍ）以上であるものに限定し、例えばテフロン（登録商標）を用いることとしたため、被覆層４２を通じて素子電流のリークが確実に抑制できる。故に、素子電流の検出結果に対する信頼性がより一層向上する。
【００６３】
また、電気配線Ｈ１〜Ｈ５に重畳した外部の電波ノイズがセンサ制御回路基板３３に至る直前で貫通コンデンサ３５にて吸収されると共に、センサ制御回路基板３３が配線接続基板３４（電気配線Ｈ１〜Ｈ５）より隔離した第１室Ａ内に設けられるため、センサ制御回路基板３３に対する外部ノイズ等の影響が確実に排除できる。従って、かかる構成によっても、素子電流を正しく検出し、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができるようになる。
【００６４】
仕切板３２は、貫通コンデンサ３５を保持する役目とケース３０内を２部屋に分割する役目とを共に有するため、仕切専用の壁部を付加的に設ける必要が無く、簡易構造で上記効果が得られる。
【００６５】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【００６６】
センサ制御ユニット１０の構成を図１１のようにする。図１１では、前記図２の構成との相違点として、ケース本体３１のほぼ全体にわたって１枚の回路基板５１を配置すると共に、その回路基板５１上に仕切板５２を立設している。仕切板５２は、前記図２と同様に貫通コンデンサ３５を保持する役目を持つことに加え、ケース３０内（ここでは特に回路基板５１の上方空間）を２部屋に分割する役目を持つ。この場合、回路基板５１上で電気配線Ｈ１〜Ｈ５を接続する面と、仕切板５２を立てる面とは同一である。また、回路基板５１において、仕切板５２より図の左側は制御回路部となっており、図の右側は接続回路部となっている。本構成においてもやはり、制御回路部と接続回路部とが仕切板５２により分離されるため、制御回路部に対する外部ノイズ等の影響が確実に排除できる。
【００６７】
上記実施の形態では、制御回路部（センサ制御回路基板）と接続回路部（配線接続基板）とを共にケース３０内に収容する構成としたが、そのうち接続回路部をケース外に別途設ける構成としても良い。要は、制御回路部（センサ制御回路基板）をケースの閉空間に収容すると共に該ケースの壁部に貫通コンデンサを配置し、更に接続回路部（配線接続基板）を前記閉空間の外に配置し、該接続回路部と制御回路部とを貫通コンデンサを通じて電気的に接続する構成であれば良い。本構成によればやはり、制御回路部に対する外部ノイズ等の影響が確実に排除でき、素子電流を正しく検出することができる。
【００６８】
上記実施の形態では、ポンプセル電流の電流レベルがモニタセル電流やセンサセル電流に比べて大きいため、ポンプセル電流を流す電気配線Ｈ１に関してヒータ用の電気配線Ｈ４と同様にシールドを施さない構成としたが、これを変更し、電気配線Ｈ１ついてもシールドを施す構成としても良い。
【００６９】
上記実施の形態では、（１）電気配線に対するノイズ対策（シールド等）と、（２）センサ制御ユニットのケースに対するノイズ対策（貫通コンデンサの設置等）とを共に実施したが、上記（１），（２）のうち何れか一方のみを実施する構成であっても良い。
【００７０】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）の他に、特定成分のガス濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサ（ＨＣセンサ、ＣＯセンサ）にも適用できる。この場合、ポンプセル（第１セル）にて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセル（第２セル）にて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。
【００７１】
更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示すブロック図である。
【図２】センサ制御ユニットの具体的構成を示す図である。
【図３】電気配線の構成を示す図である。
【図４】電気配線の構成を示す図である。
【図５】シールド被覆の各種形態を示す断面図である。
【図６】ガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【図７】ガス濃度センサの外観図である。
【図８】体積抵抗率の説明に用いる図である。
【図９】体積抵抗率の説明に用いる図である。
【図１０】コネクタ部にシールドを施した構成を示す図である。
【図１１】センサ制御ユニットの具体的構成を示す図である。
【符号の説明】
１０…センサ制御ユニット、
１１…センサ制御部、
１２…ヒータ制御部、
３０…ケース、
３１…ケース本体、
３２…仕切板、
３３…センサ制御回路基板、
３４…配線接続基板、
３５…貫通コンデンサ、
４１…芯線、
４２…被覆層、
４３…シールド層、
４４…ビニルシース、
５１…回路基板、
５２…仕切板、
６０…コネクタ部、
６１…ケーシング、
１００…ガス濃度センサ、
１０５…センサ素子、
１１０…ポンプセル、
１２０…モニタセル、
１３０…センサセル、
１４１，１４２…固体電解質、
１５１…ヒータ、
Ｈ１〜Ｈ５…電気配線。

Claims (17)

1. 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、特定成分濃度に対応してセンサ素子に流れる微弱な素子電流を計測すると共にヒータを断続的に通電するためのセンサ制御ユニットを、配線ユニットを通じて前記ガス濃度センサに電気的に接続してなるガス濃度検出装置において、
   前記配線ユニットは、素子電流を流すための素子電流線とヒータに電力を供給するためのヒータ線とを束ねてなり、素子電流線において素子電流が流れる芯線よりも外側にグランド電位としたシールド層を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 前記素子電流線において、前記芯線の周囲を被覆層にて覆い、更にその被覆層の外側を前記シールド層にて覆った請求項１記載のガス濃度検出装置。
3. 前記被覆層は、体積抵抗率が１．０×１０^１２（Ω・ｃｍ）以上である請求項２記載のガス濃度検出装置。
4. 前記被覆層としてテフロン（登録商標）を用いた請求項２記載のガス濃度検出装置。
5. 前記素子電流線は複数の芯線を有し、それら複数の芯線をまとめて前記シールド層で覆った請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
6. 前記素子電流線は、被覆層で覆われた芯線を有し、その外側にシールド層を施し、更にその外側に保護層を設けたものである請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
7. 前記素子電流線は、各々被覆層で覆われた複数の芯線を有し、それら複数の芯線の外側にシールド層を施し、更にその外側に保護層を設けたものである請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
8. 前記素子電流線におけるシールド層をグランド電位に接続するグランド処理と、前記ヒータをグランド電位に接続するグランド処理とを別個に施した請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
9. 前記配線ユニットはコネクタ部材を介して前記センサ制御ユニットに接続され、前記コネクタ部材の外周にシールドを施した請求項１乃至８の何れかに記載のガス濃度検出装置。
10. 前記素子電流線を前記センサ制御ユニットに接続するための素子電流用コネクタと、前記ヒータ線を同センサ制御ユニットに接続するためのヒータ用コネクタとを各々別個に設けた請求項１乃至９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
11. 前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部を導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースの閉空間に収容すると共に該ケースの壁部に貫通コンデンサを配置し、更に前記配線ユニットに電気接続される接続回路部を前記閉空間の外に配置し、該接続回路部と前記制御回路部とを貫通コンデンサを通じて電気的に接続した請求項１乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
12. 導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースを同じく導電性材料よりなり且つグランド電位とした仕切板により２つの部屋に区画すると共に該仕切板に貫通コンデンサを配置し、前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部と前記配線ユニットに電気接続される接続回路部とを前記２つの部屋に各々収容してこれら回路部を貫通コンデンサを通じて電気的に接続した請求項１乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
13. 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、特定成分濃度に対応してセンサ素子に流れる微弱な素子電流を計測すると共にヒータを断続的に通電するためのセンサ制御ユニットを、配線ユニットを通じて前記ガス濃度センサに電気的に接続してなるガス濃度検出装置において、
    前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部を導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースの閉空間に収容すると共に該ケースの壁部に貫通コンデンサを配置し、更に前記配線ユニットに電気接続される接続回路部を前記閉空間の外に配置し、該接続回路部と前記制御回路部とを貫通コンデンサを通じて電気的に接続したことを特徴とするガス濃度検出装置。
14. 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、特定成分濃度に対応してセンサ素子に流れる微弱な素子電流を計測すると共にヒータを断続的に通電するためのセンサ制御ユニットを、配線ユニットを通じて前記ガス濃度センサに電気的に接続してなるガス濃度検出装置において、
    導電性材料よりなり且つグランド電位としたケースを同じく導電性材料よりなり且つグランド電位とした仕切板により２つの部屋に区画すると共に該仕切板に貫通コンデンサを配置し、前記センサ制御ユニットに含まれる制御回路部と前記配線ユニットに電気接続される接続回路部とを前記２つの部屋に各々収容してこれら回路部を貫通コンデンサを通じて電気的に接続したことを特徴とするガス濃度検出装置。
15. 同一の回路基板に前記制御回路部と前記接続回路部とを設け、前記回路基板上に立てるようにして両回路部の間に前記仕切板を設置した請求項１２又は１４に記載のガス濃度検出装置。
16. 前記貫通コンデンサの容量は１０００ｐＦ以上である請求項１１乃至１５の何れかに記載のガス濃度検出装置。
17. 前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、第１セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第２セルとを有し、前記センサ制御ユニットは、少なくとも第２セルに流れる微弱電流を計測するものである請求項１乃至１６の何れかに記載のガス濃度検出装置。

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