JP3969627B2

JP3969627B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP3969627B2
Application number: JP2001044193A
Authority: JP
Inventors: 真治熊沢; 雄二大井; 典和家田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-02-20
Filing date: 2001-02-20
Publication date: 2007-09-05
Anticipated expiration: 2021-02-20
Also published as: JP2002243700A

Description

【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２６２４７０４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Ｖｓ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接続される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接続される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拡散室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、拡散室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。
【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（Ｖｓ^-）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、２１；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。

Claims

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。
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接続される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。
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接続される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。
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。
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。
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。
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接続される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。
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接続される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。
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。
上記遮断周波数は５Ｈｚ以上２００Ｈｚ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。