JP4444520B2

JP4444520B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP4444520B2
Application number: JP2001052976A
Authority: JP
Inventors: 真治熊澤; 雄二大井; 暢博早川; 典和家田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002257783A

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。
【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。
【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３２１、３２２に接続した定電流電源を用いて検出セルＶｓ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８１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。
【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。
【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。
【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。
【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同時期にそれぞれ別個の電源が接続され、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。
【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。
【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。
【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。
【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（Ｉｐ^-）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７１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Ｖｒｅｆ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Ｉｃｐ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。
【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⁺）３２１、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７３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。
【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（Ｖｓ⁺）、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。
【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。
【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８２１、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）。
【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３２２（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）。
【００２６】
(5)Ｔ４の期間の終了後、スイッチ８３１、８３２を開放して、検出セルＶｓに電流−ＩＲｐｖｓ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３２１（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ＩＲｐｖｓ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。
【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９２１、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９３、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。
【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。
【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】スイッチのタイミングチャートと、実施例のＶｓ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。
【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。
【符号の説明】
１１；第１固体電解質層、１２；第２固体電解質層、２１；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（Ｖｓ^-）、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、８３１、８３２；スイッチ、９２１、９２２、９３１、９３２、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）。

Claims

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同時期にそれぞれ別個の電源が接続され、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。
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。
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。
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。