JP2008304272A - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを抑えて、ポンプセルに印加する電圧の精度を高めることができると共に、被測定ガスの酸素濃度を要求される酸素濃度にするための応答速度を高めることができるガス濃度検出装置を提供すること。
【解決手段】ガス濃度検出装置１は、ポンプセル２Ａ、センサセル及びモニタセルを有している。ポンプセル出力回路４は、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号を受けてスイッチングを行うスイッチング素子４１と、スイッチング素子４１によって所定の電圧値に変換されたパルス電圧を平滑化する第１オペアンプＯＰ１と、第１オペアンプＯＰ１の出力端子に接続し、ポンプセル２Ａの電極に電圧を印加する第２オペアンプＯＰ２とを有している。第１オペアンプＯＰ１には、入力バイアス電流が小さいオペアンプを用い、第２オペアンプＯＰ２には、出力電流が大きいオペアンプを用いている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサ素子によって、ポンプセル、センサセル及びモニタセンサセルを構成してなるガス濃度検出装置に関し、特に、ポンプセルを駆動するポンプセル出力回路に関する。

例えば、車両の排ガス等の被測定ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出する際には、固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子によって、被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセンサセルとを構成したガス濃度検出装置を用いる。
ポンプセルを駆動するポンプセル出力回路においては、ポンプセルを構成するガスセンサ素子の一対の電極間に所定の電圧を印加し、被測定ガス中の酸素濃度を、センサセル及びモニタセルにおいてＮＯｘ濃度の検出を行うのに適した濃度に調整する。特に、ＮＯｘ濃度を検出する場合には、ｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度による数十〜数百ｎＡの微小な電流を検出するため、センサセル及びモニタセルへ供給する被測定ガスの残存酸素濃度は極力少なくしている。このようなポンプセルを備え、ＮＯｘ濃度の検出を行うガス濃度検出装置としては、例えば、特許文献１に開示されたものがある。

また、ポンプセルは、低インピーダンスであり、ポンプセル出力回路においては、ポンプセルを安定して駆動するためにオペアンプを用いている。このオペアンプは、印加する電圧の精度を高めるためには、入力オフセット電流及び入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）が小さいことが好ましく、要求される酸素濃度にするための応答速度を高めるためには、出力電流が大きいことが好ましい。
しかしながら、特許文献１等にも開示されているように、ポンプセル出力回路において、ポンプセルへの電圧の印加は１つのオペアンプによって行っている。そのため、コストアップを抑えて、入力バイアス電流が小さく出力電流が大きい１つのオペアンプを選定することは容易ではない。したがって、コストアップを抑えて必要な性能を確保する工夫が必要とされる。

特開２００４−９３２８９号公報

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、コストアップを抑えて、ポンプセルに印加する電圧の精度を高めることができると共に、被測定ガスの酸素濃度を要求される酸素濃度にするための応答速度を高めることができるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。

本発明は、酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子を有し、
該ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ＮＯｘ活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ＮＯｘ不活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセルとを構成してなるガス濃度検出装置において、
上記ポンプセルの一方の電極には、制御用マイコンからのパルス幅変調信号を受けて、当該ポンプセルに限界電流特性を維持するための所定範囲内の電圧を印加するよう構成したポンプセル出力回路が接続してあり、上記ポンプセルの他方の電極には、基準電圧源が接続してあり、
上記ポンプセル出力回路は、上記制御用マイコンからのパルス幅変調信号を受けてスイッチングを行うスイッチング素子と、
該スイッチング素子によって所定の電圧値に変換されたパルス電圧を平滑化するローパスフィルタを構成する第１オペアンプと、
該第１オペアンプの出力端子に接続し、上記ポンプセルの一方の電極に電圧を印加するボルテージフォロアを構成する第２オペアンプとを有しており、
上記第１オペアンプには、上記第２オペアンプに比べて入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）が小さいオペアンプを用い、上記第２オペアンプには、上記第１オペアンプに比べて出力電流が大きいオペアンプを用いたことを特徴とするガス濃度検出装置にある（請求項１）。

本発明のガス濃度検出装置は、ポンプセル出力回路に、ローパスフィルタを構成する第１オペアンプと、ボルテージフォロアを構成する第２オペアンプとを有している。そして、第１オペアンプには、第２オペアンプに比べて入力バイアス電流が小さいオペアンプを用い、第２オペアンプには、第１オペアンプに比べて出力電流が大きいオペアンプを用いている。
これにより、本発明のポンプセル出力回路においては、第１オペアンプにより、スイッチング素子によって所定の電圧値に変換されたパルス幅変調信号のパルス電圧を、精度よく平滑化することができ、安定した電圧を出力することができる。また、第２オペアンプにより、第１オペアンプによって精度よく平滑化された電圧を、大きな出力電流で出力することができる。

そして、第１オペアンプには、入力バイアス電流が小さい一方、出力電流が小さいオペアンプを用いることができ、第２オペアンプには、出力電流が大きい一方、入力バイアス電流が大きいオペアンプを用いることができる。これにより、第１オペアンプ及び第２オペアンプを、コストが高い特別用途のオペアンプではなく、安価な汎用のオペアンプから選定することができる。

それ故、本発明のガス濃度検出装置によれば、コストアップを抑えて、ポンプセルに印加する電圧の精度を高めることができると共に、被測定ガスの酸素濃度を要求される酸素濃度にするための応答速度を高めることができる。
特に、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度の検出を行うガス濃度検出装置においては、ｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度による数十〜数百ｎＡの微小な電流を検出する。そのため、上記電圧精度の向上及び上記応答速度の向上を図ることにより、ポンプセルにおいては、被測定ガス中の酸素濃度が、センサセル及びモニタセルにおけるＮＯｘ濃度の検出において要求される酸素濃度になるよう、迅速かつ正確に対応することが可能となる。

上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記ポンプセルの他方の電極と上記基準電圧源との間には、該基準電圧源による電圧を上記ポンプセルの他方の電極へ印加するための基準電圧用オペアンプが接続してあり、該基準電圧用オペアンプの出力端子と上記ポンプセルの他方の電極との間には、上記ポンプセルに流れる電流を検出するための電流検出用抵抗が接続してあり、上記制御用マイコンは、上記電流検出用抵抗に流れる電流値に基づいて、上記ポンプセルにおける被測定ガス中の酸素濃度を求めて、該酸素濃度を監視する一方、該酸素濃度が目標範囲内になるよう、上記ポンプセルの限界電流特性を維持する範囲内で上記パルス幅変調信号のデューティ比を変化させるよう構成することが好ましい（請求項２）。

この場合には、パルス幅変調信号のデューティ比を変化させることにより、第１オペアンプから出力される電圧と基準電圧源による電圧との差分の電圧によるポンプセル印加電圧を変更して、ポンプセルからセンサセル及びモニタセルへ供給される被測定ガス中の酸素濃度を、要求される酸素濃度に安定して追従させることができる。

また、上記第１オペアンプの入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）は、１２５℃において８００ｐＡ以下であり、上記第２オペアンプの出力電流は、５ｍＡ以上であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、第１オペアンプ及び第２オペアンプに必要とされる性能を確保することができ、コストアップを抑えて、性能及び応答速度を適切に確保することができる。
なお、第１オペアンプの入力バイアス電流は、１２５℃において１００ｐＡ以上とすることができ、第２オペアンプの出力電流は、１０ｍＡ以下とすることができる。

以下に、本発明のガス濃度検出装置１にかかる実施例につき、図面と共に説明する。
本例のガス濃度検出装置１は、図２に示すごとく、酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子２を有している。ガス濃度検出装置１は、ガスセンサ素子２によって、ＮＯｘ不活性の電極２０１、２０２を備え被測定ガスＧ中の酸素濃度を調整するためのポンプセル２Ａと、ＮＯｘ活性の電極２０３及びＮＯｘ不活性の電極２０４を備えポンプセル２Ａによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセル２Ｂと、ＮＯｘ不活性の電極２０５、２０６を備えポンプセル２Ａによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガスＧ中の酸素濃度を監視するためのモニタセル２Ｃとを構成している。
ポンプセル２Ａの基準ガス側電極（一方の電極）２０２には、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を受けて、当該ポンプセル２Ａに限界電流特性を維持するための所定範囲内の電圧を印加するよう構成したポンプセル出力回路４が接続してある。また、ポンプセル２Ａの被測定ガス側電極（他方の電極）２０１には、基準電圧源４２が接続してある。

図１に示すごとく、ポンプセル出力回路４は、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号を受けてスイッチングを行うスイッチング素子４１と、このスイッチング素子４１によって所定の電圧値に変換されたパルス電圧を平滑化するローパスフィルタを構成する第１オペアンプＯＰ１と、この第１オペアンプＯＰ１の出力端子に接続し、ポンプセル２Ａの基準ガス側電極２０２に電圧を印加するボルテージフォロアを構成する第２オペアンプＯＰ２とを有している。
第１オペアンプＯＰ１には、第２オペアンプＯＰ２に比べて入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）が小さいオペアンプを用い、第２オペアンプＯＰ２には、第１オペアンプＯＰ１に比べて出力電流が大きいオペアンプを用いている。

以下に、本例のガス濃度検出装置１につき、図１、図２と共に詳説する。
本例のガス濃度検出装置１は、エンジン等の内燃機関の排気管を流れる排ガス（被測定ガス）Ｇ中のＮＯｘ濃度を検出するものである。
ガスセンサ素子２としてのポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃと、ヒータ素子３とを備えたガスセンサ１０は、種々の構成にすることができる。本例においては、図２に示すごとく、ポンプセル２Ａは、第１の固体電解質体２１Ａの一方の表面に被測定ガスＧに曝される被測定ガス側電極２０１を設けると共に、この電極２０１に対向して、第１の固体電解質体２１Ａの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される基準ガス側電極２０２を設けて形成してある。ポンプセル２Ａの一対の電極２０１、２０２は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。

センサセル２Ｂは、第１の固体電解質体２１Ａにスペーサ２３を介して積層する第２の固体電解質体２１Ｂの一方の表面に被測定ガスＧに曝される電極２０３を設けると共に、この電極２０３に対向して、第２の固体電解質体２１Ｂの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される電極２０４を設けて形成してある。センサセル２Ｂにおいて、被測定ガスＧに曝される電極２０３は、ＮＯｘ活性の材料を用いて構成してあり、基準ガスＦに曝される電極２０４は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。

モニタセル２Ｃは、第２の固体電解質体２１Ｂの一方の表面に被測定ガスＧに曝される電極２０５を設けると共に、この電極２０５に対向して、第２の固体電解質体２１Ｂの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される電極２０６を設けて形成してある。モニタセル２Ｃの一対の電極２０５、２０６は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。
また、センサセル２Ｂとモニタセル２Ｃとは、第２の固体電解質体２１Ｂの両表面に隣接して設けてあり、それぞれの基準ガスＦに曝される電極２０４、２０６は、共通化してある。

また、図２に示すごとく、ヒータ素子３は、白金等によって形成したヒータ導体３を、絶縁性のセラミックス基板３１同士の間に挟持させて形成してある。ヒータ素子３は、第１の固体電解質体２１Ａに積層して設けてある。
第１の固体電解質体２１Ａと第２の固体電解質体２１Ｂとの間には、被測定ガスＧが供給されるチャンバー２４が形成してあり、このチャンバー２４に、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃの被測定ガスＧ側の電極２０１、２０３、２０５が曝されている。また、チャンバー２４内には、第２の固体電解質体２１Ｂに設けた多孔質拡散層２２及びピンホール２１１を経由して、被測定ガスＧが供給されるよう構成されている。

また、ガス濃度検出装置１においては、センサ駆動回路６によって、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃを駆動するよう構成されている。センサ駆動回路６は、ポンプセル２Ａにおいては、一対の電極２０１、２０２に電圧を印加して、被測定ガスＧ中の酸素濃度を、センサセル２Ｂ及びモニタセル２ＣにおけるｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度の検出に影響を及ぼさない所定の目標範囲内の酸素濃度にする。
また、センサ駆動回路６は、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃに限界電流特性を示す所定の電圧を印加し、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃに流れる数十〜数百ｎＡの微小な電流を検出して、これらの電流値の差分を求めることによって、ＮＯｘ濃度を求めるよう構成されている。

また、図２に示すごとく、モニタセル２Ｃには、このモニタセル２Ｃを構成する一対の電極２０３、２０４及び第１の固体電解質体２１Ａによる素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するためのインピーダンス測定回路６１が接続してある。このインピーダンス測定回路６１は、モニタセル２Ｃにおいて、センサ電流の検出から素子インピーダンスの測定に切り替え、センサ電流の検出を行っていない時間帯を利用して、モニタセル２Ｃに所定の交流電圧を印加し、このモニタセル２Ｃに流れる交流電流の変化を検出することによって、素子インピーダンスを求めるよう構成されている。
なお、素子インピーダンスの信号は、Ａ／Ｄ変換器を介して制御用マイコン７に取り込まれる。

同図に示すごとく、制御用マイコン７においては、ガスセンサ素子２（モニタセル２Ｃ）の温度Ｔ（℃）と、モニタセル２Ｃの素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）Ａｄｍ（Ω又はＳ）との関係マップ（グラフ）が形成してある。制御用マイコン７は、インピーダンス測定回路６１によって測定した素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の値より、この測定時点のガスセンサ素子２の温度を検出し、ガスセンサ素子２の温度が目標とする温度になるように、パルス幅変調信号のデューティ比（パルス幅）を変化させるよう構成してある。また、制御用マイコン７は、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御を行って、ガスセンサ素子２の温度が目標とする温度になるように、パルス幅変調制御を行う。
なお、制御用マイコン７は、上位のＥＣＵ（電子制御装置）との電気通信を行うよう構成されている。

図１に示すごとく、本例のポンプセル出力回路４において、スイッチング素子４１は、ＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳ型の電界効果トランジスタ）である。制御用マイコン７の出力ポート（ＯＮ／ＯＦＦポート）Ｐ１は、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに接続してある。ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のドレイン端子Ｄは、２つの抵抗Ｒ１、Ｒ２を介して回路用電源Ｖｃｃに接続してあり、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のソース端子Ｓは、グラウンド電位に接続してある。
また、第１のオペアンプを用いて構成するローパスフィルタは、いわゆる一次フィルタによって構成してあり、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号を受けてＭＯＳ型ＦＥＴ４１がスイッチング動作する際に、回路用電源Ｖｃｃの電圧と、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２とによって分圧された所定の電圧とによるパルス電圧を平滑化して、所定の電圧と回路用電源Ｖｃｃの電圧との間の直流電圧を形成するよう構成されている。

具体的には、回路用電源Ｖｃｃに接続した抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２との間から分岐して抵抗Ｒ３を設け、抵抗Ｒ３と直列に設けた抵抗Ｒ４が第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続してある。また、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４との間は、コンデンサＣ１を介して第１オペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続してあり、この反転入力端子は、第１オペアンプＯＰ１の出力端子に接続してある。また、第１オペアンプＯＰ１の非反転入力端子は、コンデンサＣ２を介してグラウンド電位に接続してあり、第１オペアンプＯＰ１の出力端子は、抵抗Ｒ５を介してグラウンド電位に接続してある。

第２オペアンプＯＰ２を用いて構成するボルテージフォロアにおいては、第１オペアンプＯＰ１の出力端子が、第２オペアンプＯＰ２の非反転入力端子に接続してあり、第２オペアンプＯＰ２の反転入力端子と出力端子とが接続してある。第２オペアンプＯＰ２の出力端子は、ポンプセル２Ａの基準ガス側電極２０２に接続してある。
なお、第１オペアンプＯＰ１の出力電圧は、制御用マイコン７のＡ／Ｄ変換入力ポートに取り込んで、制御用マイコン７において監視することができる。

また、図１に示すごとく、ポンプセル入力回路４０においては、ポンプセル２Ａの被測定ガス側電極２０１と基準電圧源４２との間には、基準電圧源４２による電圧をポンプセル２Ａの被測定ガス側電極２０１へ印加するための基準電圧用オペアンプＯＰ３が接続してある。基準電圧用オペアンプＯＰ３の出力端子とポンプセル２Ａの被測定ガス側電極２０１との間には、ポンプセル２Ａに流れる電流を検出するための電流検出用抵抗（シャント抵抗）Ｒｐが接続してある。
具体的には、回路用電源Ｖｃｃに接続した抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７との間がボルテージフォロアを構成する基準電圧用オペアンプＯＰ３の非反転入力端子に接続してあり、基準電圧源４２による電圧は、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７とによって分圧された所定の電圧である。また、基準電圧用オペアンプＯＰ３の出力端子とポンプセル２Ａの被測定ガス側電極２０２との間には、電流検出用抵抗Ｒｐが設けてあり、基準電圧用オペアンプＯＰ３の反転入力端子と出力端子とは、抵抗Ｒ８と電流検出用抵抗Ｒｐとを介して接続してある。

電流検出用抵抗Ｒｐの両端は、それぞれ制御用マイコン７のＡ／Ｄ変換入力ポートＰ２、Ｐ３に接続してあり、電流検出用抵抗Ｒｐに生じる電圧降下を測定することにより、ポンプセル２Ａに流れるセンサ電流を検出するよう構成されている。
そして、制御用マイコン７は、電流検出用抵抗Ｒｐに流れる電流値に基づいて、ポンプセル２Ａにおける被測定ガスＧ中の酸素濃度を求めて、この酸素濃度を監視するよう構成してある。また、制御用マイコン７は、ポンプセル２Ａにおける酸素濃度が目標範囲内になるよう（電流値が目標範囲内になるよう）、ポンプセル２Ａの限界電流特性を維持する範囲内でパルス幅変調信号のデューティ比を変化させるよう構成してある。パルス幅変調信号のデューティ比を変化させることにより、第１オペアンプＯＰ１から出力される電圧と基準電圧源４２による電圧との差分の電圧による印加電圧（ポンプセル印加電圧）を変更して、ポンプセル２Ａからセンサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃへ供給される被測定ガスＧ中の酸素濃度を、要求される酸素濃度に安定して追従させることができる。

なお、ポンプセル２Ａへの印加電圧とポンプセル２Ａに流れる電流との関係グラフにおいては、印加電圧が変動しても電流値が一定である限界電流特性を示す範囲があり、ポンプセル２Ａにおいて限界電流特性を示すときには、電流値と酸素濃度とが比例する関係にある。そして、上記電流検出用抵抗Ｒｐによって検出したポンプセル２Ａに流れる電流値に応じて、限界電流特性を示す印加電圧に適宜補正することにより、ポンプセル２Ａにおいて安定した酸素濃度の検出が可能になる。

本例のガス濃度検出装置１は、ポンプセル出力回路４に、ローパスフィルタを構成する第１オペアンプＯＰ１と、ボルテージフォロアを構成する第２オペアンプＯＰ２とを有している。そして、第１オペアンプＯＰ１には、第２オペアンプＯＰ２に比べて入力バイアス電流が小さいオペアンプを用い、第２オペアンプＯＰ２には、第１オペアンプＯＰ１に比べて出力電流が大きいオペアンプを用いている。
これにより、本例のポンプセル出力回路４においては、第１オペアンプＯＰ１により、スイッチング素子４１によって所定の電圧値に変換されたパルス幅変調信号のパルス電圧を、精度よく平滑化することができ、安定した電圧を出力することができる。また、第２オペアンプＯＰ２により、第１オペアンプＯＰ１によって精度よく平滑化された電圧を、大きな出力電流で出力することができる。

そして、第１オペアンプＯＰ１には、入力バイアス電流が小さい一方、出力電流が小さいオペアンプを用いることができ、第２オペアンプＯＰ２には、出力電流が大きい一方、入力バイアス電流が大きいオペアンプを用いることができる。これにより、第１オペアンプＯＰ１及び第２オペアンプＯＰ２を、コストが高い特別用途のオペアンプではなく、安価な汎用のオペアンプから選定することができる。
なお、第２オペアンプＯＰ２は、センサ駆動回路６におけるパッケージにおいて未使用のオペアンプを用いることができる。これにより、第２オペアンプＯＰ２を容易に確保することができる。

それ故、本例のガス濃度検出装置１によれば、コストアップを抑えて、ポンプセル２Ａに印加する電圧の精度を高めることができると共に、被測定ガスＧの酸素濃度を要求される酸素濃度にするための応答速度を高めることができる。
特に、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度の検出を行うガス濃度検出装置１においては、ｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度による数十〜数百ｎＡの微小な電流を検出する。そのため、上記電圧精度の向上及び上記応答速度の向上を図ることにより、ポンプセル２Ａにおいては、被測定ガスＧ中の酸素濃度が、センサセル２Ｂ及びモニタセル２ＣにおけるＮＯｘ濃度の検出において要求される酸素濃度になるよう、迅速かつ正確に対応することが可能となる。

また、本例においては、第１オペアンプＯＰ１及び第２オペアンプＯＰ２を選定する際の基準を検討した。
まず、ガス濃度検出装置１を車載用途とすると、第１オペアンプＯＰ１及び第２オペアンプＯＰ２の動作温度範囲は、−４０〜１２５℃とし、動作電源は、１６Ｖとする。

そして、第２オペアンプＯＰ２を用いずに、第１オペアンプＯＰ１の出力端子をポンプセル２Ａの基準ガス側電極２０２に接続した場合（１つのオペアンプを用いる場合）において、反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流は、１２５℃において８００ｐＡ以下であり、出力電流は、５ｍＡ以上が必要であるとする。この場合、例えば、第１候補のオペアンプと第２候補のオペアンプとのデータシートを表１に示す。

同表に示すごとく、第１候補のオペアンプとして、入力バイアス電流が１２５℃において８００ｐＡであるものを用いると、パルス幅変調信号のパルス電圧を精度よく平滑化できるものの、出力電流が３ｍＡしか確保できない。一方、第２候補のオペアンプとして、出力電流が４０ｍＡであるものを用いると、出力電流を確保できるものの、入力バイアス電流が１２５℃において５００ｎＡになってしまい、パルス幅変調信号のパルス電圧を精度よく平滑化することはできない。

これに対し、本例で示したように、ローパスフィルタを構成する第１オペアンプＯＰ１として上記第１候補のオペアンプを用い、ボルテージフォロアを構成する第２オペアンプＯＰ２として上記第２候補のオペアンプを用いれば、ローパスフィルタにおける入力バイアス電流が８００ｐＡ以下であり、ポンプセル２Ａへの出力電流が５ｍＡ以上である回路を構成することができる。これにより、コストアップを抑えて、パルス幅変調信号のパルス電圧を精度よく平滑化して、ポンプセル２Ａに印加する電圧の精度を高めることができると共に、大きな出力電流を確保して、被測定ガスＧの酸素濃度を要求される酸素濃度にするための応答速度を高めることができる。

実施例における、ガス濃度検出装置を説明する構成図。 実施例における、ポンプセル出力回路及びポンプセル入力回路を説明する回路図。

符号の説明

１ ガス濃度検出装置
１０ ガスセンサ
２ ガスセンサ素子
２Ａ ポンプセル
２Ｂ センサセル
２Ｃ モニタセル
２１ 固体電解質体
４ ポンプセル出力回路
４０ ポンプセル入力回路
４１ スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）
４２ 基準電圧源
Ｖｃｃ 回路用電源
ＯＰ１ 第１オペアンプ
ＯＰ２ 第２オペアンプ
ＯＰ３ 基準電圧用オペアンプ
Ｒｐ 電流検出用抵抗
７ 制御用マイコン

Claims (3)

1. 酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子を有し、
   該ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ＮＯｘ活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ＮＯｘ不活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセルとを構成してなるガス濃度検出装置において、
   上記ポンプセルの一方の電極には、制御用マイコンからのパルス幅変調信号を受けて、当該ポンプセルに限界電流特性を維持するための所定範囲内の電圧を印加するよう構成したポンプセル出力回路が接続してあり、上記ポンプセルの他方の電極には、基準電圧源が接続してあり、
   上記ポンプセル出力回路は、上記制御用マイコンからのパルス幅変調信号を受けてスイッチングを行うスイッチング素子と、
   該スイッチング素子によって所定の電圧値に変換されたパルス電圧を平滑化するローパスフィルタを構成する第１オペアンプと、
   該第１オペアンプの出力端子に接続し、上記ポンプセルの一方の電極に電圧を印加するボルテージフォロアを構成する第２オペアンプとを有しており、
   上記第１オペアンプには、上記第２オペアンプに比べて入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）が小さいオペアンプを用い、上記第２オペアンプには、上記第１オペアンプに比べて出力電流が大きいオペアンプを用いたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 請求項１において、上記ポンプセルの他方の電極と上記基準電圧源との間には、該基準電圧源による電圧を上記ポンプセルの他方の電極へ印加するための基準電圧用オペアンプが接続してあり、
   該基準電圧用オペアンプの出力端子と上記ポンプセルの他方の電極との間には、上記ポンプセルに流れる電流を検出するための電流検出用抵抗が接続してあり、
   上記制御用マイコンは、上記電流検出用抵抗に流れる電流値に基づいて、上記ポンプセルにおける被測定ガス中の酸素濃度を求めて、該酸素濃度を監視する一方、該酸素濃度が目標範囲内になるよう、上記ポンプセルの限界電流特性を維持する範囲内で上記パルス幅変調信号のデューティ比を変化させるよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 請求項１又は２において、上記第１オペアンプの入力バイアス電流（反転入力端子及び非反転入力端子の入力バイアス電流）は、１２５℃において８００ｐＡ以下であり、
   上記第２オペアンプの出力電流は、５ｍＡ以上であることを特徴とするガス濃度検出装置。

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