JP2015064227A

JP2015064227A - ガス濃度検出装置

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Publication number: JP2015064227A
Application number: JP2013197114A
Authority: JP
Inventors: 優村田; Masaru Murata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2013-09-24
Filing date: 2013-09-24
Publication date: 2015-04-09
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Abstract

【課題】異常検出部の構造を簡素にでき、かつ配線が断線しているか否かを短時間で判断できるガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】同一の固体電解質体２２に、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとセンサ電極２３ｓと基準電極２３ｂとを形成してある。これら複数の電極２３のうち特定の電極２３（ポンプ電極２３ｐ）に交流電圧を加える。このときに固体電解質体２２を介してポンプ電極２３ｐとその他の電極２３との間を流れる交流電流を、電流測定部３０ｐ，３０ｍ，３０ｓを用いて測定する。そして、得られた複数の電流測定値のうち少なくとも一つが予め定められた値よりも小さい場合に、複数の配線２４のうち少なくとも一つが断線していると判断する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサと、該ガスセンサの異常を検出する異常検出部とを備えるガス濃度検出装置に関する。

例えば自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出するガス濃度検出装置として、ガスセンサと、該ガスセンサの異常を検出する異常検出部とを備えるものが知られている（下記特許文献１参照）。

上記ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体を２枚備える。各々の固体電解質体の両面には電極が形成されている。そして、固体電解質体と、その両面に形成した電極とによってセルを構成してある。セルには、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルと、被測定ガス中の酸素濃度を検出するためのモニタセルと、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するためのセンサセルとがある。上記ガス濃度検出装置は、モニタセルとセンサセルとに流れる電流をそれぞれ測定し、その測定値を使って、上記特定ガスの濃度を算出する。

上記電極には配線が接続しており、この配線を通って、セルに電流が流れるようになっている。配線が何らかの不具合により断線すると、特定ガスの濃度を正確に測定できなくなる。そのため、ガス濃度測定装置は、上記異常検出部を用いて、配線が断線しているか否かを定期的に検査するよう構成されている。

配線の断線の有無を検査する際には、個々のセルに、配線を介して交流電圧を印加する。上述したように、セルは、固体電解質体の両面に電極を形成したものなので、コンデンサと同じ構造をしている。そのため、配線が断線していなければ、交流電圧を加えたときにセル及び配線に交流電流が流れる。また、配線が断線している場合は、交流電圧を加えても交流電流は流れない。上記ガス濃度検出装置はこの特性を利用し、交流電圧を加えたときに予め定められた値よりも大きな交流電流が流れるか否かを判断することにより、配線が断線しているか否かを判断している。

特許第４０２００１９号公報

しかしながら上記ガス濃度検出装置は、２つの固体電解質体にそれぞれ別にセルを形成しているため、一方の固体電解質体に形成したセルと、他方の固体電解質体に形成したセルとが電気的に絶縁されている。そのため、一方の固体電解質体に形成したセルと、他方の固体電解質体に形成したセルとに、それぞれ別に交流電圧を加えなければ、全ての配線について断線の有無を確認できないという問題がある。そのため、交流電圧を印加する回路が複数個必要になり、異常検出部の構造が複雑になりやすい。それゆえ、異常検出部の製造コストが高くなりやすい。また、上記ガス濃度検出装置は、複数のセルにそれぞれ交流電圧を印加するため、断線の確認に必要な時間が長くなりやすいという問題もある。

本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、異常検出部の構造を簡素にでき、かつ配線が断線しているか否かを短時間で判断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。

本発明の一態様は、ガスセンサと、該ガスセンサに接続した異常検出部とを有するガス濃度検出装置であって、
上記ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面にそれぞれ形成した電極と、個々の上記電極に接続し該電極に流れる電流の経路をなす配線とを備え、
上記電極には、上記固体電解質体の一方の面に形成され被測定ガスに曝されるポンプ電極及びモニタ電極及びセンサ電極と、上記固体電解質体の他方の面に形成され基準ガスに曝される基準電極とがあり、
上記固体電解質体と上記ポンプ電極と上記基準電極とによって、上記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセルが形成され、上記固体電解質体と上記モニタ電極と上記基準電極とによって、上記被測定ガス中の酸素濃度を測定するモニタセルが形成され、上記固体電解質体と上記センサ電極と上記基準電極とによって、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するセンサセルが形成され、
上記ポンプ電極と上記モニタ電極と上記センサ電極と上記基準電極とは、同一の上記固体電解質体に形成されており、
上記異常検出部は、上記複数の電極のうち特定の電極に交流電圧を加え、この際に上記固体電解質体を介して上記特定の電極とその他の上記電極との間を流れる電流を、上記ポンプセルと上記モニタセルと上記センサセルとにそれぞれ接続した電流測定部を用いて測定すると共に、得られた複数の電流測定値のうち少なくとも一つが予め定められた値よりも小さい場合に、上記複数の電極にそれぞれ接続した上記配線のうち少なくとも一つが断線していると判断することを特徴とするガス濃度検出装置にある。

上記ガス濃度検出装置においては、ポンプ電極とモニタ電極とセンサ電極と基準電極とを、同一の固体電解質体に形成してある。そのため、これら複数の電極のうち任意に選択した２つの電極の間に必ず固体電解質体が介在しており、この固体電解質体によって、どの２つの電極の間にも寄生容量が付くことになる。そのため、複数の電極のうちいずれか１個の電極に交流電圧を加えれば、固体電解質体、すなわち寄生容量を介してその他全ての電極に交流電流が流れ、これが配線にも流れる。したがって、複数の電極のうちいずれか１個の電極に交流電圧を加えるだけで、全ての配線について、断線の有無を確認することが可能になる。そのため、断線の検査をする際に、複数のセルの電極に個別に交流電圧を加える必要がなくなる。したがって、交流電圧を加えるための回路が１つですみ、異常検出部の回路を簡素にすることができる。また、１個の電極に１回、交流電圧を加えるだけで良いため、配線の断線チェックに必要な時間を短くすることができる。

以上のごとく、本発明によれば、異常検出部の構造を簡素にでき、かつ配線が断線しているか否かを短時間で判断できるガス濃度検出装置を提供することができる。

実施例１における、ガス濃度検出装置の概念図。実施例１における、ガスセンサの断面図に、異常検出部の簡略図を重ねて描いた図。図２のIII-III断面図。図２のIV-IV断面図。図２のV-V断面図。図２のVI-VI断面図。実施例１における、３つのセルのイメージ断面図であって、等価回路と共に描いたもの。実施例１における、断線していない時の、印加した交流電圧と、各配線に流れる電流とを表したグラフ。実施例１における、センサ配線が断線した場合の、印加した交流電圧と、各配線に流れる電流とを表したグラフ。実施例１における、モニタ配線が断線した場合の、印加した交流電圧と、各配線に流れる電流とを表したグラフ。実施例１における、基準配線が断線した場合の、印加した交流電圧と、各配線に流れる電流とを表したグラフ。実施例１における、ポンプ配線が断線した場合の、印加した交流電圧と、各配線に流れる電流とを表したグラフ。実施例１における、交流電圧の周波数と、各電極間のインピーダンスとの関係を表したグラフ。

上記異常検出部は、上記ポンプ電極に上記交流電圧を加えるよう構成されていることが好ましい。
この場合には、特定ガスの濃度を測定するときにモニタセルやセンサセルに流れる電流を、正確に測定しやすくなる。すなわち、交流電圧を加えるための回路（交流印加回路）は電流のリークの原因となるため、この交流印加回路は、微少な電流を測定するセルには接続しないことが好ましい。特定ガスの濃度を測定するときは、ポンプセルには比較的大きな電流が流れ、モニタセルやセンサセルには微少な電流が流れる。そのため、ポンプ電極に交流印加回路を取り付け、モニタセルやセンサセルに交流印加回路を取り付けないようにすれば、モニタセルやセンサセルに流れる微少な電流が交流印加回路からリークする不具合を抑制できる。したがって、モニタセルやセンサセルに流れる電流の測定精度を向上することができる。なお、特定ガスの濃度を測定するときに、ポンプセルには大きな電流が流れるため、交流印加回路から若干電流がリークしても大きな影響はない。

（実施例１）
上記ガス濃度検出装置に係る実施例について、図１〜図１３を用いて説明する。図１に示すごとく、本例のガス濃度検出装置１は、ガスセンサ２と、該ガスセンサ２に接続した異常検出部３とを有する。

図２〜図６に示すごとく、ガスセンサ２は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体２２と、該固体電解質体２２の両面にそれぞれ形成した電極２３と、個々の電極２３に接続し該電極２３に流れる電流の経路をなす配線２４とを備える。
電極２３には、固体電解質体２２の一方の面に形成され被測定ガスｇに曝されるポンプ電極２３ｐ、モニタ電極２３ｍ、センサ電極２３ｓと、固体電解質体２２の他方の面に形成され基準ガスに曝される基準電極２３ｂとがある。

固体電解質体２２とポンプ電極２３ｐと基準電極２３ｂとによって、被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル１１が形成されている。また、固体電解質体２２とモニタ電極２３ｍと基準電極２３ｂとによって、被測定ガス中の酸素濃度を測定するモニタセル１２が形成されている。さらに、固体電解質体２２とセンサ電極２３ｓと基準電極２３ｂとによって、被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するセンサセル１３が形成されている。
ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとセンサ電極２３ｓと基準電極２３ｂとは、同一の固体電解質体２２に形成されている。

図１、図２に示すごとく、ポンプセル１１とモニタセル１２とセンサセル１３とに、それぞれ電流測定部３０が接続している。異常検出部３は、複数の電極２３のうち特定の電極２３（本例ではポンプ電極２３ｐ）に交流電圧を加える。このときに固体電解質体２２を介してポンプ電極２３ｐとその他の電極２３との間を流れる電流Ｉｐ，Ｉｍ，Ｉｓを、電流測定部３０ｐ，３０ｍ，３０ｓを用いて測定する。そして、得られた複数の電流測定値のうち少なくとも一つが予め定められた値よりも小さい場合に、複数の電極２３にそれぞれ接続した配線２４のうち少なくとも一つが断線していると判断する。

本例のガスセンサ２は、自動車の排気ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定するための、ＮＯｘセンサである。

図２、図５、図６に示すごとく、本例のガスセンサ２は、第１絶縁部材２７と第２絶縁部材２８との２つの絶縁部材を備える。固体電解質体２２はジルコニアによって構成され、絶縁部材２７，２８はセラミックによって構成されている。第１絶縁部材２７と固体電解質体２２との間には、被測定ガス室２０を形成するための第１スペーサ２７０が介在している。上記被測定ガス室２０に、自動車の排気ガス（被測定ガスｇ）が導入される。また、第２絶縁部材２８と固体電解質体２２との間には、基準ガス室２１を形成するための第２スペーサ２８０が介在している。上記基準ガス室２１には、基準ガスとしての大気が導入される。

図２に示すごとく、ガスセンサ２には拡散抵抗部２６を設けてある。被測定ガスｇは、この拡散抵抗部２６を通って、被測定ガス室２０に導入される。拡散抵抗部２６によって、被測定ガスｇの流速を制限している。

また、第２絶縁部材２８には、ヒータ２９を埋設してある。ガスセンサ２を使用する際には、このヒータ２９に電流を流して発熱させ、固体電解質体２２を所定の温度に加熱する。

図３、図４に示すごとく、各電極２３は四辺形状に形成されている。ポンプ電極２３ｐにはポンプ配線２４ｐが接続し、モニタ電極２３ｍにはモニタ配線２４ｍが接続している。また、センサ電極２３ｓにはセンサ配線２４ｓが接続し、基準電極２３ｂには基準配線２４ｂが接続している。各々の配線２４の端部に、上述した異常検出部３が電気接続している。

図１、図２に示すごとく、ポンプ配線２４ｐには、ポンプセル１１に流れる電流を測定するポンプ電流測定部３０ｐが接続している。また、モニタ配線２４ｍには、モニタセル１２に流れる電流を測定するモニタ電流測定部３０ｍが接続している。さらに、センサ配線２４ｓには、センサセル１３に流れる電流を測定するセンサ電流測定部３０ｓが接続している。

ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとは、白金Ｐｔと金Ａｕの合金からなる。また、センサ電極２３ｓは、白金ＰｔとロジウムＲｈの合金からなる。本例では、特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を測定する際に、ポンプセル１１、モニタセル１２、センサセル１３のそれぞれに、直流電圧を加える。この際、基準電極２３ｂを高電位とし、反対側の電極（ポンプ電極２３ｐ、モニタ電極２３ｍ、センサ電極２３ｓ）を低電位とする。

自動車の排気ガスを被測定ガス室２０に導入すると、ポンプ電極２３ｐによって排気ガス中の酸素分子が分解され、酸素イオンとなる。酸素イオンは、固体電解質体２２内を移動し、基準ガス室２１に排出される。これにより、排気ガス中の酸素濃度を低減している。

ポンプセル１１によって酸素濃度を低減させた排気ガスには、僅かに酸素分子が残留しているため、この酸素分子の濃度を、モニタセル１２を使って測定する。すなわち、モニタ電極２３ｍによって酸素分子を酸素イオンに分解し、この酸素イオンを、固体電解質体２２を通して基準ガス室２１に排出する。このときモニタセル１２に流れる電流を、モニタ電流測定部３０ｍ（図１、図２参照）によって測定する。この測定値を用いて、残留酸素濃度（Ａ１）を算出する。

また、本例では、ポンプセル１１によって酸素濃度を低減させた排気ガスに含まれる酸素分子とＮＯｘの濃度を、センサセル１３を用いて測定する。すなわち、センサ電極２３ｓによって、酸素分子およびＮＯｘを分解して、酸素イオンを発生させる。酸素イオンは固体電解質体２２を通って基準ガス室２１に排出される。このときにセンサセル１３に流れる電流を、センサ電流測定部３０ｓ（図１、図２参照）によって測定する。この測定値を用いて、酸素分子とＮＯｘ分子の合計の濃度（Ａ２）を算出する。そして、上記濃度の差（Ａ２−Ａ１）を算出することにより、ＮＯｘの濃度を算出するよう構成されている。これらの濃度計算は、後述するマイコン３１０（図１参照）のＣＰＵ３５１によって行う。

上述したように、本例では、ポンプ電極２３ｐ、モニタ電極２３ｍ、センサ電極２３ｓ、基準電極２３ｂを、同一の固体電解質体２２に形成してある。そのため図７に示すごとく、この固体電解質体２２によって、これら複数の電極２３のうち任意に選択したどの２つの電極２３の間にも、寄生容量Ｃが付くことになる。例えばポンプ電極２３ｐと基準電極２３ｂの間には、固体電解質体２２によって寄生容量Ｃ１が付いている。同様に、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍの間にも、寄生容量Ｃ２が付いており、ポンプ電極２３ｐとセンサ電極２３ｓとの間にも寄生容量Ｃ３が付いている。

そのため、ポンプ電極２３ｐに交流電圧Ｖｐを加えると、固体電解質体２２を介して、ポンプ電極２３ｐと基準電極２３ｂとの間に交流電流Ｉｂが流れる。また、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとの間にも、固体電解質体２２を介して交流電流Ｉｍが流れる。さらに、ポンプ電極２３ｐとセンサ電極２３ｓとの間にも、固体電解質体２２を介して交流電流Ｉｓが流れる。

図１、図２に示すごとく、本例では、断線チェックを行う際に、ポンプ配線２４ｐを介してポンプ電極２３ｐに交流電圧Ｖｐを加え、このときにポンプ配線２４ｐ、モニタ配線２４ｍ、センサ配線２４ｓに流れる交流電流Ｉｐ，Ｉｍ，Ｉｓを、電流測定部３０ｐ，３０ｍ、３０ｓによって測定する。配線２４ｐ，２４ｍ，２４ｓ，２４ｂのいずれかが断線すると、交流電流Ｉｐ，Ｉｍ，Ｉｓのいずれかが減少する。異常検出部３は、交流電流Ｉｐ，Ｉｍ，Ｉｓを測定することにより、配線２４の断線の有無を確認する。

例えば、全ての配線２４ｐ，２４ｍ，２４ｓ，２４ｂが断線していない場合は、図８に示すごとく、ポンプ電極２３ｐに交流電圧Ｖｐを加えると、交流電流Ｉｐ，Ｉｍ，Ｉｓが配線２４ｐ，２４ｍ，２４ｓを流れ、これが電流測定部３０ｐ，３０ｍ，３０ｓによって検出される。断線の有無を確認するときは、例えば、センサ電流測定部３０ｓによって測定した交流電流Ｉｓについて、その最大値Ｉｍａｘを求め、これが予め定められた基準値Ｉ_Ｌｓよりも大きいか否かを判断する。他の交流電流Ｉｐ，Ｉｍについても同様に判断する。全ての交流電流Ｉｓ，Ｉｍ，Ｉｐが基準値よりも大きい場合は、配線２４ａ〜２４ｄのいずれも断線していないと判断する。

ここで仮に、センサ配線２４ｓが断線したとすると、図９に示すごとく、センサ電流測定部３０ｓによって、交流電流Ｉｓが測定されなくなる。すなわち、センサ電流測定部３０ｓによる測定値が、基準値Ｉ_Ｌｓを下回る。

また、モニタ配線２４ｍが断線した場合は、図１０に示すごとく、モニタ電流測定部３０ｍによって、交流電流Ｉｍが測定されなくなる。

また、基準配線２４ｂが断線した場合は、各交流電流の波形は、図１１のようになる。すなわち、ポンプ電極２３ｐとセンサ電極２３ｓとの間に流れる交流電流Ｉｓと、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとの間に流れる交流電流Ｉｍとは、正常に測定される。基準配線２４ｂは断線していて交流電流Ｉｂが流れないため、上記交流電流ＩｓとＩｍとを足し合わせた値が、Ｉｐとして測定される。

また、ポンプ配線２４ｐが断線した場合は、各交流電流の波形は、図１２のようになる。すなわち、ポンプ電極２３ｐに電圧が加わらないため、いずれの配線２４にも電流が流れなくなる。

各交流電流の波形が図９〜図１２のいずれかである場合は、異常検出部３は、複数の配線２４ｐ，２４ｍ，２４ｓ，２４ｂのうちいずれかが断線していると判断する。

次に、ガス濃度検出装置１の回路図の説明をする。図１に示すごとく、本例の異常検出部３は、マイコン３５と、Ｄ／Ａコンバータ３５３と、定電圧回路３５４とを備える。マイコン３５は、排気ガス中のＮＯｘ濃度を算出するための濃度算出部としての機能を兼ねている。マイコン３５内には、ＣＰＵ３５１と、Ａ／Ｄコンバータ３５２とが形成されている。

Ａ／Ｄコンバータ３５２には、３個のオペアンプ３１，３２，３３が接続している。これらのオペアンプ３１，３２，３３は、電流測定部３０として使用される。第１のオペアンプ３１の非反転入力端子は、ローパスフィルタ３６を介して、Ｄ／Ａコンバータ３５３に接続している。また、第２のオペアンプ３２と第３のオペアンプ３３の非反転入力端子は、定電圧回路３５４の第１出力端子Ｏ１に接続している。各オペアンプ３１〜３３の反転入力端子は、ポンプ配線２４ｐ、モニタ配線２４ｍ、センサ配線２４ｓに接続している。各オペアンプ３１〜３３の出力端子と反転入力端子との間には、抵抗Ｒ１〜Ｒ３を設けてある。

また、定電圧回路３５４には、ボルテージホロワ用の第４オペアンプ３４を接続してある。第４オペアンプ３４の出力端子は、基準配線２４ｂに接続している。定電圧回路３５４の出力電圧Ｖｂを、第４オペアンプ３４を介して、ガスセンサ２の基準電極２３ｂに加えている。

配線２４の断線チェックを行う際には、Ｄ／Ａコンバータ３５３によって交流電圧を発生させる。この交流電圧は、デジタル的に変化する波形であるため、ローパスフィルタ３６を使って滑らかにすることで、図８のＶｐに示す形状の波形にする。

図１に示すごとく、ローパスフィルタ３６によって波形が滑らかになった交流電圧Ｖｐは、第１オペアンプ３１の非反転入力端子に入力される。ここで、第１オペアンプ３１の性質である、いわゆるイマジナリショートにより、非反転入力端子の電圧と反転入力端子の電圧は略等しくなる。そのため、ポンプ電極２３ｐに交流電圧Ｖｐが加わる。

このとき、全ての配線２４が断線していなければ、上述したように、各配線２４に交流電流が流れる。各電流値は、次のように測定される。例えばセンサ配線２４ｓに交流電流Ｉｓが流れると、Ａ／Ｄコンバータ３５２の入力端子ＡＤ３の電圧Ｖ_ＡＤ３は、Ｖ_ＡＤ３＝Ｖｍｓ−Ｉｓ・Ｒ３として検出される。ここでＶｍｓは、センサ電極２３ｓに加わる電圧である。Ｖｍｓは、定電圧回路３５４の第１出力端子Ｏ１からの出力電圧であるため、その値は既知である。また、抵抗Ｒ３も既知である。そのため、Ｖ_ＡＤ３を測定できれば、交流電流Ｉｓを測定することが可能になる。他の交流電流Ｉｍ，Ｉｐについても同様である。

次に、排気ガス中のＮＯｘの濃度測定を行う方法について説明する。ＮＯｘ濃度の測定を行う際には、定電圧回路３５４の第１出力端子Ｏ１から直流電圧Ｖｍｓを出力し、これを第２オペアンプ３２及び第３オペアンプ３３を介して、モニタ電極２３ｍ及びセンサ電極２３ｓに加える。また、定電圧回路３５４の第２出力端子Ｏ２から直流電圧Ｖｂを出力し、基準電極２３ｂに加える。さらに、Ｄ／Ａコンバータ３５３から直流電圧Ｖｐ’を出力し、これをローパスフィルタ３６及び第１オペアンプ３１を介してポンプ電極２３ｐに加える。

モニタ配線２４ｍには、ポンプセル１１によって酸素濃度を低減させた排気ガス中の酸素濃度に対応した電流ｉｍが流れ、センサ配線２４ｓには、排気ガス中の酸素とＮＯｘの合計の濃度に対応した電流ｉｓが流れる。これらの電流値を、電流測定部３０ｍ，３０ｓによって測定する。そして、測定した値を使って、ＣＰＵ３５１がＮＯｘの濃度を算出する。

次に、図１３を用いて、ポンプ電極２３ｐに加わる交流電圧Ｖｐの周波数と、電極間のインピーダンスとの関係について説明する。図１３は、交流電圧Ｖｐの周波数を４０Ｈｚ〜１０^６Ｈｚまで変化させ、ポンプ電極２３ｐと基準電極２３ｂとの間のインピーダンスＺｐを測定して、これらの関係をグラフにしたものである。インピーダンスＺｐは、交流電圧Ｖｐを交流電流Ｉｐで除した値である。すなわち、Ｚｐ＝Ｖｐ／Ｉｐである。

図１３のグラフから、交流電圧Ｖｐの周波数が１ｋＨｚ〜３００ｋＨｚの間は、周波数を多少変化させてもインピーダンスＺｐは大きく変動せず、安定していることが分かる。配線２４の断線チェックをするときは、周波数が多少変動しても、インピーダンスＺｐが大きく変動しない領域で、交流電流Ｉｐを測定することが好ましい。これにより、交流電流Ｉｐを正確に測定することが可能になる。一方、周波数が高くなりすぎると、電流測定部３０によって交流電流Ｉｐを正確に測定しにくくなる場合がある。これらの理由により、交流電圧Ｖｐの周波数は、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚにすることが好ましい。

なお、本例では、ポンプ電極２３ｐと基準電極２３ｂとの間のインピーダンスＺｐについて説明したが、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとの間のインピーダンスＺｍ、及びポンプ電極２３ｐとセンサ電極２３ｓとの間のインピーダンスＺｓも、同様の特性を有する。そのため、交流電圧Ｖｐの周波数は、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚにすることが好ましい。

次に、本例の作用効果について説明する。図２、図７に示すごとく、本例では、ポンプ電極２３ｐとモニタ電極２３ｍとセンサ電極２３ｓと基準電極２３ｂとを、同一の固体電解質体２２に形成してある。そのため、これら複数の電極２３のうち任意に選択した２つの電極２３の間に必ず固体電解質体２２が介在しており、この固体電解質体２２によって、どの２つの電極２３の間にも寄生容量が付くことになる。そのため、複数の電極２３のうちいずれか１個の電極２３に交流電圧を加えれば、固体電解質体２２、すなわち寄生容量Ｃを介してその他全ての電極２３に交流電流が流れ、これが配線２４にも流れることになる。したがって、複数の電極２３のうちいずれか１個の電極２３に交流電圧を加えるだけで、全ての配線２４について、断線の有無を確認することが可能になる。そのため、断線２４の検査をする際に、複数のセルの電極２３に個別に交流電圧を加える必要がなくなる。したがって、交流電圧を加えるための交流印加回路３６０（図１、図２参照）が１つですみ、異常検出部３の回路を簡素にすることができる。また、１個の電極２３に１回、交流電圧Ｖｐを加えるだけで良いため、配線２４の断線チェックに必要な時間を短くすることができる。

また、本例では図１に示すごとく、断線チェック時に、ポンプ電極２３ａに交流電圧Ｖｐを加えるよう構成されている。
このようにすると、特定ガスの濃度を測定するときにモニタセル１２に流れる電流ｉｍや、センサセル１３に流れる電流ｉｓを、正確に測定しやすくなる。すなわち、交流電圧Ｖｐを加えるためには、交流印加回路３６０としてＤ／Ａコンバータ３５３とローパスフィルタ３６が必要になるが、これらは微少電流検出においては誤差要因となるため、微少な電流を測定するセルには接続しないことが好ましい。特定ガスの濃度を測定するときは、ポンプセル１１には比較的大きな電流が流れ、モニタセル１２やセンサセル１３には微少な電流が流れる。そのため、ポンプ電極２３ａに交流印加回路３６０を取り付け、モニタセル１２やセンサセル１３には交流印加回路３６０を取り付けないようにすれば、モニタセル１２やセンサセル１３に流れる微少な電流ｉｍ，ｉｓが、交流印加回路３６０からリークする不具合を抑制できる。したがって、上記電流ｉｍ，ｉｓの測定精度を向上させることができる。なお、特定ガスの濃度を測定するときに、ポンプセル１１には大きな電流が流れるため、交流印加回路３６０から若干電流がリークしても大きな影響はない。

また、本例のように、ポンプ電極２３ｐに交流電圧Ｖｐを加えると、電流測定部３０ｐ，３０ｍ，３０ｓの構造を簡素にすることができる。すなわち、断線検出時には、交流電圧を加えるセルには大きな電流が流れるため、仮にモニタ電極２３ｍやセンサ電極２３ｓに交流電圧を加えたとすると、特定ガスの濃度を測定する場合にはモニタ配線２４ｍとセンサ配線２４ｓに微少な電流ｉｍ，ｉｓが流れ、断線検出時には大きな電流Ｉｍ，Ｉｓが流れることになる。そのため、大電流と小電流とのどちらも正確に測定できる回路にしなければならず、電流測定部３０ｓ，３０ｍに切り替え回路等を設ける必要が生じて、構造が複雑になりやすい。また、切り替え回路から電流がリークすることにより、検出精度が悪化するという問題も生じる。
しかしながら、ポンプ配線２４ｐには、特定ガスの濃度を検出する場合に大きな電流が流れるため、断線チェック時にポンプ電極２３ｐに交流電圧を加えるようにすれば、特定ガスの濃度検出をする場合でも、断線検出をする場合でも、ポンプ配線２４ｐには、同程度に大きな電流が流れることになる。そのため、ポンプ電流測定部３０ｐに切り替え回路等を設ける必要がなく、簡素な構造にすることが可能になる。

また、本例では図２、図７に示すごとく、ポンプセル１１を構成する基準電極２３ｂと、モニタセル１２を構成する基準電極２３ｂと、センサセル１３を構成する基準電極２３ｂとを一体化してある。そのため、断線検出時に、モニタ配線２４ｍに流れる交流電流Ｉｍと、センサ配線２４ｓに流れる交流電流Ｉｓとを測定しやすくなる。すなわち、仮に、基準電極２３ｂをセル１１〜１３ごとに分割したとすると、ポンプ電極２３ｐと、分割した個々の基準電極２３ｂとの間に寄生容量が付くことになる。また、モニタ電極２３ｍと個々の基準電極２３ｂとの間にも寄生容量が付き、センサ電極２３ｓと個々の基準電極２３ｂとの間にも寄生容量が付く。そのため、交流電圧Ｖｐを加えたときに、様々な経路を通って交流電流が流れやすくなり、モニタ配線２４ｍとセンサ配線２４ｓに、充分な量の交流電流Ｉｍ，Ｉｓが流れなくなる可能性がある。したがって、基準電極２３ｂは、本例のように一体化することが好ましい。

また、本例では図３に示すごとく、被測定ガス室内には、ポンプ電極２３ｐを設けた側と、センサ電極２３ｓ及びモニタ電極２３ｍを設けた側との間に、隔壁や絞り等を形成していない。そのため被測定ガスｇが、ポンプ電極２３ｐを設けた側から、センサ電極２３ｓ及びモニタ電極２３ｍを設けた側にスムーズに流れる。したがって、被測定ガスｇ中の特定ガスの濃度が変化したときに、その変化をすぐに検知することができる。つまり、ガスセンサ２の応答性を高めることができる。

また、本例では、図３に示すごとく、被測定ガスｇの流れ方向（Ｘ方向）において、ポンプ電極２３ｐからモニタ電極２３ｍまでの距離Ｌ１と、ポンプ電極２３ｐからセンサ電極２３ｓまでの距離Ｌ２とが、互いに等しい。
そのため、ポンプ電極２３ｐ上を通過して酸素濃度が低減した被測定ガスｇが、モニタ電極２３ｍとセンサ電極２３ｓとに略同時に到達することになる。つまり、モニタ電極２３ｍとセンサ電極２３ｓにそれぞれ到達する被測定ガスｇ中の酸素濃度が、殆ど等しくなる。そのため、特定ガスの濃度をより正確に算出することが可能になる。

以上のごとく、本例によれば、異常検出部の構造を簡素にでき、かつ配線が断線しているか否かを短時間で判断できるガス濃度検出装置を提供することができる。

なお、本例では断線チェック時に、ポンプ電極２３ｐに交流電圧を加えたが、その他の電極２３に交流電圧を加えてもよい。例えば、基準電極２３ｂに交流電圧を加えてもよく、モニタ電極２３ｍやセンサ電極２３ｓに交流電圧を加えてもよい。

また、本例では、図１に示すごとく、Ｄ／Ａコンバータ３５３と定電圧回路３５４とを、マイコン３５とは別に形成したが、これらをマイコン３５内に形成してもよい。

１ガス濃度検出装置
１１ポンプセル
１２モニタセル
１３センサセル
２ガスセンサ
２２固体電解質体
２３電極
２３ｂ基準電極
２３ｍモニタ電極
２３ｐポンプ電極
２３ｓセンサ電極
２４配線
３異常検出部
３０電流測定部

Claims

ガスセンサ（２）と、該ガスセンサ（２）に接続した異常検出部（３）とを有するガス濃度検出装置（１）であって、
上記ガスセンサ（２）は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２２）と、該固体電解質体（２２）の両面にそれぞれ形成した電極（２３）と、個々の上記電極（２３）に接続し該電極（２３）に流れる電流の経路をなす配線（２４）とを備え、
上記電極（２３）には、上記固体電解質体（２２）の一方の面に形成され被測定ガスに曝されるポンプ電極（２３ｐ）及びモニタ電極（２３ｍ）及びセンサ電極（２３ｓ）と、上記固体電解質体（２２）の他方の面に形成され基準ガスに曝される基準電極（２３ｂ）とがあり、
上記固体電解質体（２２）と上記ポンプ電極（２３ｐ）と上記基準電極（２３ｂ）とによって、上記被測定ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル（１１）が形成され、上記固体電解質体（２２）と上記モニタ電極（２３ｍ）と上記基準電極（２３ｂ）とによって、上記被測定ガス中の酸素濃度を測定するモニタセル（１２）が形成され、上記固体電解質体（２２）と上記センサ電極（２３ｓ）と上記基準電極（２３ｂ）とによって、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を検出するセンサセル（１３）が形成され、
上記ポンプ電極（２３ｐ）と上記モニタ電極（２３ｍ）と上記センサ電極（２３ｓ）と上記基準電極（２３ｂ）とは、同一の上記固体電解質体（２２）に形成されており、
上記異常検出部（３）は、上記複数の電極（２３）のうち特定の電極（２３）に交流電圧を加え、この際に上記固体電解質体（２２）を介して上記特定の電極（２３）とその他の上記電極（２３）との間を流れる交流電流を、上記ポンプセル（１１）と上記モニタセル（１２）と上記センサセル（１３）とにそれぞれ接続した電流測定部（３０）を用いて測定すると共に、得られた複数の電流測定値のうち少なくとも一つが予め定められた値よりも小さい場合に、上記複数の電極（２３）にそれぞれ接続した上記配線（２４）のうち少なくとも一つが断線していると判断することを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
上記異常検出部（３）は、上記ポンプ電極（２３ｐ）に上記交流電圧を加えるよう構成されていることを特徴とする請求項１に記載のガス濃度検出装置（１）。
上記ポンプセル（１１）を構成する上記基準電極（２３ｂ）と、上記モニタセル（１２）を構成する上記基準電極（２３ｂ）と、上記センサセル（１３）を構成する上記基準電極（２３ｂ）とが一体化していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス濃度検出装置（１）。