JP5189537B2 - ガスセンサおよびガスセンサの電極電位の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、被測定ガス成分中の所定ガス成分を測定するガスセンサおよびガスセンサの電極電位の制御方法に関する。

従来より、被測定ガス中の所望ガス成分の濃度を知るために、各種の測定装置が用いられている。例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する装置として、ジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性を有する固体電解質層上にＰｔ電極およびＲｈ電極を形成することにより構成した電気化学的ポンプセルを有するガスセンサが公知である（例えば、特許文献１参照）。

また、このようなガスセンサにおいては、固体電解質層における酸素イオン導電性を高める目的で、固体電解質層を所定の温度に加熱すべく、外部からの給電によって発熱するヒータ部が設けられている。ヒータ部が有するヒータ電極には、加熱温度に応じた電圧が印加される。

また、パルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）によるデューティ比信号で制御された電圧をヒータ電極に印加することで、センサ素子を所定の温度に制御する方法も知られている。例えば、ヒータ電極にＰＷＭ制御された電圧を印加し、その電圧が印加されていない期間（オフ期間）にポンプセル電流の測定を行う。この方法は、ヒータ部とポンプセルとの間の電位差のバラツキが抑えられるという点で効果がある。

特開平８−２７１４７６号公報

しかしながら、ヒータ部とポンプセルとが一体に構成された一体型のガスセンサの場合、ヒータ部とポンプセルとの間の電位差により、両者の間に漏れ電流が生じ、該漏れ電流がポンプセルの側へと流れ込むことで、ガスセンサの測定精度が低下するという問題がある。特に、ＮＯｘセンサの場合は、測定電流が数ｎＡ程度と微小であるために、漏れ電流が測定精度に与える影響が大きいという問題がある。

また、上述したＰＷＭ制御を利用した測定方法では、オフ期間のうち、オン期間になる直前の電圧が平滑化された期間にしか測定ができないため、測定可能な期間が短く、外来ノイズの影響を受けやすいという問題もあった。

そこで本発明はかかる問題を解決するためになされたものであり、ヒータ部からの漏れ電流の影響が低減されたガスセンサおよびガスセンサの電極電位の制御方法を提供することを目的とする。

請求項１の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなり複数の電極を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、前記複数の電極への通電状態を制御すると共に測定信号を検出するポンプ制御回路部と、前記センサ素子内に配設され、電力供給されることにより発熱して前記固体電解質を加熱するヒータ部と、前記ヒータ部への通電状態を制御するヒータ制御回路部と、を備え、前記ヒータ制御回路部は、前記ヒータ部へ印加される電圧の１／２の電圧を前記センサ素子の制御基準電位として生成し、前記制御基準電位は、前記センサ素子の接地電位となる。

請求項２の発明は、請求項１に記載のガスセンサにおいて、前記ヒータ制御回路部は、前記ヒータ部へ供給する電力をＰＷＭ制御し、前記ヒータ部へ印加される電圧の所定時間の平均の電圧に基づいて前記制御基準電位を生成する。

請求項３の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質からなり複数の電極を有するセンサ素子と、前記センサ素子内に配設され電力供給されることにより発熱して前記固体電解質を加熱するヒータ部とを備え、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサの電極電位を制御する方法であって、前記ヒータ部へ印加される電圧の１／２の電圧を制御基準電位として生成するとともに、前記制御基準電位を前記センサ素子の接地電位に設定し、前記制御基準電位によって、前記センサ素子の複数の電極の電位を制御する。

請求項４の発明は、請求項３に記載のガスセンサの電極電位の制御方法において、前記ヒータ部へ供給する電力をＰＷＭ制御し、前記ヒータ部へ印加される電圧の所定時間の平均の電圧に基づいて前記制御基準電位を生成する。

請求項１から請求項４の発明によれば、ヒータ電圧の変化に応じてセンサ素子の電極の電位を変化させることで、ヒータ部とセンサ素子との電位差がなくなり、あるいは小さくなり、ヒータ部からの漏れ電流をキャンセルあるいは低減することができる。

本発明の実施の形態に係るガスセンサの構成の一例を概略的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係るガスセンサのセンサ素子およびポンプ制御回路部の構成の一例を概略的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係るガスセンサのポンプ制御回路部のうち、各電極の電位を制御する回路の構成の一例を概略的に示した模式図である。 本発明の実施の形態に係るガスセンサのヒータ制御回路の構成の一例を概略的に示した模式図である。 ヒータ電圧Ｖｈから制御基準電圧Ｖｓを生成した様子を示した図である。 ヒータ電圧Ｖｈから制御基準電圧Ｖｓを生成した様子を示した図である。 ＰＷＭ制御されたヒータ電圧Ｖｐからヒータ電圧Ｖｈを生成した様子を示した図である。

＜実施の形態＞
（ガスセンサの概略構成）
はじめに、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１０００の概略構成について説明する。

図１は、本実施の形態に係るガスセンサ１０００の構成の一例を概略的に示した模式図である。ガスセンサ１０００は、測定対象とするガス（被測定ガス）中の所定のガス成分（ＮＯｘやＯ₂）を検出し、さらにはその濃度を測定するためのものである。本実施の形態においては、ガスセンサ１０００が窒素酸化物（ＮＯｘ）を検出対象成分とするＮＯｘセンサである場合を例として説明する。

ガスセンサ１０００は、被測定ガス中の所定ガス成分の検出に用いるセンサ素子１００と、センサ素子１００に対する通電制御を行うと共に測定信号を検出するポンプ制御回路部２００と、ヒータ部７０への通電制御を行うと共にヒータ電極７１ａ，７１ｂ間の電圧（以下、「ヒータ電圧」とも記述する）に基づいて生成した制御基準電位（制御基準電圧）Ｖｓをポンプ制御回路部２００へ供給するヒータ制御回路部３００とを主として備える。

ポンプ制御回路部２００は、主ポンプセル（図２参照）に対する通電制御を行うことで第１内部空所２０の酸素分圧を調整する主ポンプ制御回路２１０と、補助ポンプセル（図２参照）に対する通電制御を行うことで第２内部空所４０の酸素分圧を調整する補助ポンプ制御回路２２０と、測定用ポンプセル（図２参照）に対する通電制御を行うことで測定電極４４の周囲の酸素分圧を調整すると共に、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を算出するための測定信号を検出する測定ポンプ制御回路２３０とを備える。

また、ポンプ制御回路部２００は、ヒータ制御回路部３００で生成された制御基準電位Ｖｓを入力し、この制御基準電位Ｖｓをポンプ制御回路の接地電位に設定する。そして、設定された接地電位Ｖｓに基づいて、ポンプ制御回路部２００は各電極の電位を制御する。このような接地電位の設定は、後述するように、ヒータ部からの漏れ電流の影響を抑制するべく採用されたものである。

（センサ素子およびポンプ制御回路部の概略構成）
次に、センサ素子１００およびポンプ制御回路部２００の概略構成について説明する。

図２は、本実施の形態に係るガスセンサ１０００のセンサ素子１００およびポンプ制御回路部２００の構成の一例を概略的に示す模式図である。

センサ素子１００は、それぞれがジルコニア（ＺｒＯ₂）等の酸素イオン伝導性固体電解質層からなる第１基板層１と、第２基板層２と、第３基板層３と、第１固体電解質層４と、スペーサ層５と、第２固体電解質層６との６つの層が、図面視で下側からこの順に積層された構造を有する細長な長尺の板状体形状の素子である。また、これら６つの層を形成する固体電界質は緻密な気密のものである。係るセンサ素子１００は、例えば、各層に対応するセラミックグリーンシートに所定の加工および回路パターンの印刷などを行った後にそれらを積層し、さらに、焼成して一体化させることによって製造される。

センサ素子１００の一先端部であって、第２固体電解質層６の下面と第１固体電解質層４の上面との間には、ガス導入口１０と、第１拡散律速部１１と、緩衝空間１２と、第２拡散律速部１３と、第１内部空所２０と、第３拡散律速部３０と、第２内部空所４０とが、この順に連通する態様にて隣接形成されてなる。

ガス導入口１０と、緩衝空間１２と、第１内部空所２０と、第２内部空所４０とは、スペーサ層５をくり抜いた態様にて設けられた上部を第２固体電解質層６の下面で、下部を第１固体電解質層４の上面で、側部をスペーサ層５の側面で区画されたセンサ素子１００内部の空間である。

第１拡散律速部１１と、第２拡散律速部１３と、第３拡散律速部３０とはいずれも、２本の横長の（図面に垂直な方向に開口が長手方向を有する）スリットとして設けられる。なお、ガス導入口１０から第２内部空所４０に至る部位をガス流通部とも称する。

また、ガス流通部よりも先端側から遠い位置には、第３基板層３の上面と、スペーサ層５の下面との間であって、側部を第１固体電解質層４の側面で区画される位置に基準ガス導入空間４３が設けられている。基準ガス導入空間４３には、ＮＯｘ濃度の測定を行う際の基準ガスとして、例えば大気が導入される。

大気導入層４８は、多孔質アルミナからなる層であって、大気導入層４８には基準ガス導入空間４３を通じて基準ガスが導入されるようになっている。また、大気導入層４８は、基準電極４２を被覆するように形成されている。

基準電極４２は、第３基板層３の上面と第１固体電解質層４とに挟まれる態様にて形成される電極であり、上述のように、その周囲には、基準ガス導入空間４３につながる大気導入層４８が設けられている。また、後述するように、基準電極４２を用いて第１内部空所２０内や第２内部空所４０内の酸素濃度（酸素分圧）を測定することが可能となっている。

ガス流通部において、ガス導入口１０は、外部空間に対して開口してなる部位であり、該ガス導入口１０を通じて外部空間からセンサ素子１００内に被測定ガスが取り込まれるようになっている。

第１拡散律速部１１は、ガス導入口１０から取り込まれた被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

緩衝空間１２は、第１拡散律速部１１より導入された被測定ガスを第２拡散律速部１３へと導くために設けられた空間である。

第２拡散律速部１３は、緩衝空間１２から第１内部空所２０に導入される被測定ガスに対して、所定の拡散抵抗を付与する部位である。

被測定ガスが、センサ素子１００外部から第１内部空所２０内まで導入されるにあたって、外部空間における被測定ガスの圧力変動（被測定ガスが自動車の排気ガスの場合であれば排気圧の脈動）によってガス導入口１０からセンサ素子１００内部に急激に取り込まれた被測定ガスは、直接第１内部空所２０へ導入されるのではなく、第１拡散律速部１１、緩衝空間１２、第２拡散律速部１３を通じて被測定ガスの濃度変動が打ち消された後、第１内部空所２０へ導入されるようになっている。これによって、第１内部空間へ導入される被測定ガスの濃度変動はほとんど無視できる程度のものとなる。

第１内部空所２０は、第２拡散律速部１３を通じて導入された被測定ガス中の酸素分圧を調整するための空間として設けられている。係る酸素分圧は、主ポンプセル２１が作動することによって調整される。

主ポンプセル２１は、第１内部空所２０に面する第２固体電解質層６の下面のほぼ全面に設けられた天井電極部２２ａを有する内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質層６の上面の天井電極部２２ａと対応する領域に外部空間に露出する態様にて設けられた外側ポンプ電極２３と、これらの電極に挟まれた第２固体電解質層６とによって構成されてなる電気化学的ポンプセルである。

内側ポンプ電極２２は、第１内部空所２０を区画する上下の固体電解質層（第２固体電解質層６および第１固体電解質層４）、および、側壁を与えるスペーサ層５にまたがって形成されている。具体的には、第１内部空所２０の天井面を与える第２固体電解質層６の下面には天井電極部２２ａが形成され、また、底面を与える第１固体電解質層４の上面には底部電極部２２ｂが形成され、そして、それら天井電極部２２ａと底部電極部２２ｂとを接続するように、側部電極部（図示省略）が第１内部空所２０の両側壁部を構成するスペーサ層５の側壁面（内面）に形成されて、該側部電極部の配設部位においてトンネル形態とされた構造において配設されている。

内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３とは、多孔質サーメット電極（例えば、Ａｕを１％含むＰｔとＺｒＯ₂とのサーメット電極）として形成される。なお、被測定ガスに接触する内側ポンプ電極２２は、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

主ポンプセル２１においては、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に主ポンプ制御部２１０により所望のポンプ電圧Ｖｐ０を印加して、内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２３との間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、第１内部空所２０内の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間の酸素を第１内部空所２０に汲み入れることが可能となっている。

また、第１内部空所２０における雰囲気中の酸素濃度（酸素分圧）を検出するために、内側ポンプ電極２２と、第２固体電解質６と、スペーサ層５と、第１固体電解質４と、第３基板層３と、基準電極４２によって、電気化学的なセンサセル、すなわち、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０が構成されている。

主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０における起電力Ｖ０を測定することで第１内部空所２０内の酸素濃度（酸素分圧）がわかるようになっている。さらに、起電力Ｖ０が一定となるようにＶｐ０をフィードバック制御することでポンプ電流Ｉｐ０が制御されている。これによって、第１内部空所内２０内の酸素濃度は所定の一定値に保つことができる。

第３拡散律速部３０は、第１内部空所２０で主ポンプセル２１の動作により酸素濃度（酸素分圧）が制御された被測定ガスに所定の拡散抵抗を付与して、該被測定ガスを第２内部空所４０に導く部位である。

第２内部空所４０は、第３拡散律速部３０を通じて導入された被測定ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）濃度の測定に係る処理を行うための空間として設けられている。ＮＯｘ濃度の測定は、主として、補助ポンプセル５０により酸素濃度が調整された第２内部空所４０において、さらに、測定用ポンプセル４１の動作によりＮＯｘ濃度が測定される。

第２内部空所４０では、あらかじめ第１内部空所２０において酸素濃度（酸素分圧）が調整された後、第３拡散律速部を通じて導入された被測定ガスに対して、さらに補助ポンプセル５０による酸素分圧の調整が行われるようになっている。これにより、第２内部空所４０内の酸素濃度を高精度に一定に保つことができるため、係るガスセンサ１０００においては精度の高いＮＯｘ濃度測定が可能となる。

補助ポンプセル５０は、第２内部空所４０に面する第２固体電解質層６の下面の略全体に設けられた天井電極部５１ａを有する補助ポンプ電極５１と、外側ポンプ電極２３（外側ポンプ電極２３に限られるものではなく、センサ素子１００と外側の適当な電極であれば足りる）と、第２固体電解質層６とによって構成される、補助的な電気化学的ポンプセルである。

係る補助ポンプ電極５１は、先の第１内部空所２０内に設けられた内側ポンプ電極２２と同様なトンネル形態とされた構造において、第２内部空所４０内に配設されている。つまり、第２内部空所４０の天井面を与える第２固体電解質層６に対して天井電極部５１ａが形成され、また、第２内部空所４０の底面を与える第１固体電解質層４には、底部電極部５１ｂが形成され、そして、それらの天井電極部５１ａと底部電極部５１ｂとを連結する側部電極部（図示省略）が、第２内部空所４０の側壁を与えるスペーサ層５の両壁面にそれぞれ形成されたトンネル形態の構造となっている。

なお、補助ポンプ電極５１についても、内側ポンプ電極２２と同様に、被測定ガス中のＮＯｘ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは、還元能力のない材料を用いて形成される。

補助ポンプセル５０においては、補助ポンプ電極５１と外側ポンプ電極２３との間に、補助ポンプ制御部２２０により所望の電圧Ｖｐ１を印加することにより、第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは、外部空間から第２内部空所４０内に汲み入れることが可能となっている。

また、第２内部空所４０内における雰囲気中の酸素分圧を制御するために、補助ポンプ電極５１と、基準電極４２と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１が構成されている。

なお、この補助ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８１にて検出される起電力Ｖ１に基づいて電圧制御される可変電源５２にて、補助ポンプセル５０がポンピングを行う。これにより第２内部空所４０内の雰囲気中の酸素分圧は、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い分圧にまで制御されるようになっている。

また、これとともに、そのポンプ電流Ｉｐ１が、主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０の起電力の制御に用いられるようになっている。具体的には、ポンプ電流Ｉｐ１は、制御信号として主ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８０に入力され、その起電力Ｖ０が制御されることにより、第３拡散律速部３０から第２内部空所４０内に導入される被測定ガス中の酸素分圧の勾配が常に一定となるように制御されている。ＮＯｘセンサとして使用する際は、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０との働きによって、第２内部空所４０内での酸素濃度は約０．００１ｐｐｍ程度の一定の値に保たれる。

測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０内において、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の測定を行う。測定用ポンプセル４１は、第２内部空所４０に面する第１固体電解質層４の上面であって第３拡散律速部３０から離間した位置に設けられた測定電極４４と、外側ポンプ電極２３と、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４とによって構成された電気化学的ポンプセルである。

測定電極４４は、平面視ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極である。測定電極４４は、第２内部空所４０内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒としても昨日する。さらに、測定電極４４は、第４拡散律速部４５によって被覆されてなる。

第４拡散律速部４５は、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とする多孔体にて構成される膜である。第４拡散律速部４５は、測定電極４４に流入するＮＯｘの量を制限する役割を担うとともに、測定電極４４の保護膜としても機能する。

測定用ポンプセル４１においては、測定電極４４の周囲の雰囲気中における窒素酸化物の分解によって生じた酸素を汲み出して、その発生量をポンプ電流Ｉｐ２として検出することができる。

また、測定電極４４の周囲の酸素分圧を検出するために、第２固体電界質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、測定電極４４と、基準電極４２とによって電気化学的なセンサセル、すなわち、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２が構成されている。測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出された起電力Ｖ２に基づいて測定ポンプ制御部２３０により印加される電圧Ｖｐ２が制御される。

第２内部空所４０内に導かれた被測定ガスは、酸素分圧が制御された状況下で第４拡散律速部４５を通じて測定電極４４に到達することとなる。測定電極４４の周囲の被測定ガス中の窒素酸化物は還元されて（２ＮＯ→Ｎ₂＋Ｏ₂）酸素を発生する。そして、この発生した酸素は測定用ポンプセル４１によってポンピングされることとなるが、その際、測定用ポンプ制御用酸素分圧検出センサセル８２にて検出されたＶ２が一定となるように測定ポンプ制御部２３０により印加される電圧Ｖｐ２が制御される。測定電極４４の周囲において発生する酸素の量は、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度に比例するものであるから、測定用ポンプセル４１におけるポンプ電流Ｉｐ２を用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度が算出されることとなる。

また、第２固体電解質層６と、スペーサ層５と、第１固体電解質層４と、第３基板層３と、外側ポンプ電極２３と、基準電極４２とから電気化学的なセンサセル８３が構成されており、このセンサセル８３によって得られる起電力Ｖｒｅｆによりセンサ外部の被測定ガス中の酸素分圧を検出可能となっている。

さらに、センサ素子１００は、固体電解質の酸素イオン伝導性を高めるために、センサ素子を加熱して保温する温度調整の役割を担うヒータ部７０を備えている。ヒータ部７０は、ヒータ電極７１ａ，７１ｂと、ヒータ７２と、スルーホール７３と、ヒータ絶縁層７４、圧力放散孔７５とを備えている。

ヒータ電極７１ａ，７１ｂは、第１基板層１の下面に接する態様にて形成されてなる電極である。ヒータ電極７１ａ，７１ｂを外部電源と接続することによって、外部からヒータ部７０へ給電することができるようになっている。

ヒータ７２は、第２基板層２と第３基板層３とに上下から挟まれた態様にて形成される電気抵抗体である。ヒータ７２は、スルーホール７３を介してヒータ電極７１と接続されており、該ヒータ電極７１を通して外部より給電されることにより発熱し、固体電解質層を形成する固体電解質の加熱と保温を行う。

また、ヒータ７２は、第１内部空所２０から第２内部空所４０の全域に渡って埋設されており、センサ素子１００全体を上記固体電解質が活性化する温度に加熱して保温できるようになっている。

ヒータ絶縁層７４は、ヒータ７２の上下面に、アルミナ等の絶縁体によって形成されてなる絶縁層である。ヒータ絶縁層７４は、第２基板層２および第３基板層３とヒータ７２との電気的絶縁性、つまり、センサ素子１００の各電極とヒータ７２との電気的絶縁性を得る目的で形成されている。

圧力放散孔７５は、第３基板層３を貫通し基準ガス導入空間４３に連通させられてなる部位であり、温度上昇に伴うヒータ絶縁層７４内の内圧上昇が緩和され得るようになっている。

このような構成を有するガスセンサ１０００においては、主ポンプセル２１と補助ポンプセル５０とを作動させることによって酸素分圧が常に一定の低い値（ＮＯｘの測定に実質的に影響がない値）に保たれた被測定ガスが測定用ポンプセル４１に与えられる。したがって、ＮＯｘの還元によって発生する酸素が汲み出されることによって測定用ポンプセル４１を流れるポンプ電流Ｉｐ２は、還元されるＮＯｘ濃度に比例することになる。これに基づいて、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができるようになっている。

（ポンプ制御回路の概略構成）
次に、ポンプ制御回路部２００のうち、各電極の電位を制御する回路の概略構成について説明する。

図３は、本実施の形態に係るガスセンサ１０００のポンプ制御回路部２００のうち、各電極の電位を制御する回路の構成の一例を概略的に示す模式図である。図３は、内側ポンプ電極２２の電位Ｖ２２を制御している様子を示した図である。ガスセンサ１０００においては、補助ポンプ電極５１および測定電極４４の電位も同様の回路を用いて制御される。

ポンプ制御回路部２００は、内側ポンプ電極２２の目標電位Ｖｅを算出する第１の減算器２１０と、内側ポンプ電極２２の電位を目標電位Ｖｅに維持するドライバ２２０と、測定電流Ｉｐ０を算出する第２の減算器２３０と、内側ポンプ電極２２と基準電極４２との間の目標の起電力（電位差）Ｖｔを出力する目標起電力出力回路２４０とを備える。また、ヒータ制御回路部３００で生成された制御基準電位Ｖｓが接地電位Ｖｓとなるように、演算器３３１（図４参照）の出力と接地電位とを接続する。本実施の形態では、出力インピーダンスを下げることを目的として、アンプを介して演算器３３１の出力と接地電位とを接続する。

第１の減算器２１０は、非反転入力端子（＋）が基準電極４２に接続され、反転入力端子（−）が目標起電力出力回路２４０に接続され、内側ポンプ電極２２の目標電位Ｖｅを出力する。つまり、第１の減算器２１０は、基準電極４２の電位Ｖ４２の変化に応じて変化する内側ポンプ電極２２の目標電位Ｖｅを出力するように制御している。

ドライバ２２０はオペアンプであり、非反転入力端子（＋）が第１の減算器の出力に接続され、反転入力端子（−）が内側ポンプ電極２２に接続されており、ドライバ２２０の出力は、シャント抵抗２５０を介して内側ポンプ電極２２に接続されている。つまり、ドライバ２２０は、内側ポンプ電極２２の電位Ｖ２２が目標電位Ｖｅと等しくなるように制御している。

第２の減算器２３０は、シャント抵抗２５０の両端に接続されており、シャント抵抗２５０に流れる電流から測定電流Ｉｐ０を算出する。

次に、内側ポンプ電極２２の電位を制御する動作について説明する。

センサ素子１００においては、本来、基準電極４２が、他の全ての電極における電位の基準となる電極となるべく設けられている。例えば、外部電極２３と基準電極４２との間には、被測定ガスと大気との酸素濃度差に基づく電位差（起電力）Ｖｒｅｆが生じる。しかしながら、後述するように、外側電極２３（接地電位）は、演算器３３１の出力端と接続されており、演算器３３１からの制御基準電位Ｖｓの変動に追従して外側電極２３の電位Ｖｓも変動することとなる。

そのため、実際には、基準電極４２の電位Ｖ４２は、電位差Ｖｒｅｆを保ちつつも外部電極２３の電位Ｖｓの変動に追随して変動する。そして、このＶ４２の変動に応じて、他の電極の電位も変動することとなる。

例えば、内側ポンプ電極２２の電位Ｖ２２は、上述したように、基準電極４２との電位差が目標起電力出力回路２４０が出力する電位差Ｖｔとなるように、フィードバック制御されているが、基準電極の電位Ｖ４２の変動に追従して内側ポンプ電極２２の電位も変動することとなる。

このように、ヒータ制御回部３３０が生成する制御基準電位Ｖｓをポンプ制御回路部２００の接地電位Ｖｓとすることで、制御基準電位Ｖｓの変動に応じて、センサ素子１００の各電極の電位が変動することとなる。

（ヒータ制御回路部の概略構成）
次に、ヒータ制御回路部３００の回路構成について説明する。

ヒータ制御回路部３００は、ヒータ７２の抵抗値Ｒｈ（以下、ヒータ抵抗とも記述する）を一定に保つようにヒータ７２へ供給する電力を制御する回路である。このような制御は、ヒータ７２による加熱温度を一定に保つために行われるものである。

図４は、本実施の形態に係るガスセンサ１０００のヒータ制御回路部３００の構成の一例を概略的に示す模式図である。ヒータ制御回路部３００は、ヒータ抵抗Ｒｈを算出するヒータ抵抗算出部３１０と、算出したヒータ抵抗Ｒｈに応じてヒータ７２へ供給する電力を制御する供給電力制御部３２０と、ポンプ制御回路部２００へ出力する制御基準電位Ｖｓを生成する制御基準電位生成部３３０とを主として備える。

ヒータ抵抗算出部３１０は、ヒータ電極７１ａの電位Ｖａとヒータ電極７１ｂの電位Ｖｂとの差分からヒータ７２間に印加されているヒータ電圧Ｖｈを算出する第３の減算器３１１と、シャント抵抗３１４に流れる電流からヒータ７２に流れているヒータ電流Ｉｈを算出する第４の減算器３１２と、ヒータ電圧Ｖｈおよびヒータ電流Ｉｈからヒータ抵抗Ｒｈを算出する除算器３１３とを備える。

供給電力制御部３２０は、ヒータ７２が所定の温度に加熱されているときのヒータ抵抗Ｒｈである目標抵抗Ｒｔを出力する目標抵抗出力回路３２１と、目標抵抗Ｒｔとヒータ抵抗Ｒｈとの差分に応じてヒータ出力アンプ３２３を制御するコントローラ３２２と、ヒータ電源３２４とコントローラ３２２の出力信号とからヒータ７２へ供給する電力を制御するヒータ出力アンプ３２３とを備える。本実施の形態では、ヒータ出力アンプ３２２にリニアアンプを用いて説明する。

このようなヒータ抵抗算出部３１０および供給電力制御部３２０の処理により、ヒータ抵抗Ｒｈが目標抵抗Ｒｔとなるように制御される。すなわち、ヒータ抵抗Ｒｈを一定に保つことでヒータ部７０の温度が一定に保たれ、これにより、センサ素子１００の温度も一定に保たれることとなる。

制御基準電位算出部３３０は、ヒータ電圧Ｖｈから制御基準電位Ｖｓを生成する演算器３３１を備える。生成された制御基準電位Ｖｓはポンプ制御回路部２００へ出力され、ポンプ制御回路部２００の接地電位がＶｓに設定される。すなわち、ヒータ電圧Ｖｈが変化した場合、これに追従して制御基準電位Ｖｓおよび接地電位Ｖｓが変化することとなる。

演算器３３１は、ヒータ部７０からの漏れ電流が低減される電位に接地電位Ｖｓが設定されるように、制御基準電位Ｖｓを生成する。具体的には、漏れ電流はヒータ部７０とセンサ素子１００との電位差により生じるため、この電位差がなくなる、あるいは小さくなる電位に接地電位Ｖｓが設定されるように、制御基準電位Ｖｓを生成する。

制御基準電位Ｖｓを生成する方法の一つとして、例えば、ヒータ電圧Ｖｈの１／２の電圧を制御基準電位Ｖｓとする方法がある。図５は、ヒータ電圧Ｖｈの１／２の電圧となる制御基準電位Ｖｓを生成した様子を示した図である。これは、センサ素子１００がヒータ７２の各部からの影響を均等に受けていると考えて、ヒータ部７０からの漏れ電流の大部分をキャンセルする方法である。

具体的には、ヒータ７２には（Ｖａ−Ｖｂ）の電圧が印加されており、ヒータ７２の電位は場所によってＶａからＶｂに変化する。このようなヒータ７２の各部の電位とセンサ素子１００の電位との電位差により、ヒータ部７０からセンサ素子１００へ漏れ電流が発生する。しかし、ヒータ７２の幅、厚さおよび抵抗率、あるいはヒータ絶縁層７４の厚み等が一定の場合は、センサ素子１００がヒータ７２の各部から受ける影響はほぼ均等である。したがって、ヒータ電圧Ｖｈの１／２の電圧を制御基準電位Ｖｓとして生成し、ポンプ制御回路部２００の接地電位をＶｓとすることで、ヒータ部７０とセンサ素子１００との電位差により生じる漏れ電流をほぼキャンセルすることができる。

一方、ヒータ７２の幅、厚さおよび抵抗率、あるいはヒータ絶縁層７４の厚み等が一定でない場合、演算器３３１は、ヒータ電圧Ｖｈの１／２の電圧から所定量ずらした電圧を制御基準電位Ｖｓとして生成する。図６は、ヒータ電圧Ｖｈの１／２の電圧から所定量ずらした制御基準電位Ｖｓを生成した様子を示した図である。これは、ヒータの幅、厚さおよび抵抗率、あるいはヒータ絶縁層の厚み等が一定でないことから、センサ素子１００がヒータ７２の各部から受ける影響が均等ではなく、漏れ電流をキャンセルする制御基準電位Ｖｓはヒータ電圧の１／２の電圧から若干ずれるためである。

そこで、様々な要因によってセンサ素子１００がヒータ７２の各部から受ける影響のばらつきを考慮して、ばらつきによるズレ量（電圧変化量）をあらかじめ定めておく。そして、演算器３３１は、ヒータ電圧の１／２の電圧から所定の電圧変化量だけずらした電圧を制御基準電位Ｖｓとして生成する。例えば、ヒータ電圧Ｖｈに対する電圧変化量をメモリ等（図示せず）に保存しておき、ヒータ電圧Ｖｈに応じて付与する電圧変化量を制御すればよい。

このように、ヒータ電圧Ｖｈの変化に応じてポンプ制御回路部２００の接地電位Ｖｓを変化させることで、ヒータ部７０とセンサ素子１００との電位差がなくなり、あるいは小さくなり、ヒータ部７０からの漏れ電流をキャンセルあるいは低減すことができる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、センサ素子１００の外部電極２３に与える制御基準電位（接地電位）Ｖｓを、ヒータ電圧Ｖｈに基づいて定めるようにすることで、ヒータ部７０とセンサ素子１００との間の電位差により生じる漏れ電流をキャンセルあるいは低減することができる。

＜変形例＞
上述の実施の形態においては、ヒータ出力アンプ３２３は、リニアアンプを使用して説明したが、これに限られるものではなく、ＰＷＭアンプを使用しても構わない。ＰＷＭアンプを使用する場合、ＰＷＭ周波数の影響を排除するために、減算器の前にローパスフィルタを備えることとなる。

図７は、ＰＷＭ制御されたヒータ電圧Ｖｐからヒータ電圧Ｖｈを生成した様子を示した図である。ＰＷＭアンプを使用する場合、第３の減算器３１１は、ヒータ電極７１ａの電位Ｖａとヒータ電極７１ｂの電位Ｖｂとの差分を所定時間測定し、これを平均した値をヒータ７２間に印加されているヒータ電圧Ｖｈとして算出する。これは、ＰＷＭ制御されることにより、ヒータ出力アンプ３４３から出力される電圧Ｖｐの瞬時値が２値（電源電圧Ｖａと接地電圧Ｖｂ）をとるため、所定時間で平均した値をヒータ電圧Ｖｈとする。このように算出したヒータ電圧Ｖｈから上述の実施の形態と同様に制御基準電位Ｖｓを生成する。

上述するように生成した制御基準電位Ｖｓをポンプ制御部２００の接地電位とすることで、ＰＷＭアンプを使用した場合であっても、ヒータ電圧Ｖｈの変化に追従して接地電位Ｖｓが変化する。

これにより、従来は、ＰＷＭ制御されたヒータ出力アンプ３４３から出力される電圧がオフからオンになる直前の１％の期間で測定を行っていたのに対し、本発明のポンプ制御部２００は、全期間において測定可能となる。

これに伴い、従来はオフ期間で測定可能な程度の十分な時間を確保するために数十Ｈｚから１００Ｈｚ程度の周波数を使用していたのに対し、本発明ではさらに高い周波数を用いてＰＷＭ制御をすることができる。周波数を高くした場合には、ポンプ制御回路におけるローパスフィルタの遮断周波数を高くすることもできる。

１００ センサ素子
２００ ポンプ制御回路部
２１０ 第１の減算器
２２０ ドライバ
２３０ 第２の減算器
２４０ 目標起電力出力回路
３００ ヒータ制御回路部
３１０ ヒータ抵抗算出部
３１１ 第３の減算器
３１２ 第４の減算器
３１３ 除算器
３２０ 供給電力制御部
３２１ 目標抵抗出力回路
３２２ コントローラ
３２３ ヒータ出力アンプ
３３０ 制御基準電位生成部
３３１ 演算器
１０００ ガスセンサ

Claims (4)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質からなり複数の電極を有するセンサ素子を備え、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサであって、
   前記複数の電極への通電状態を制御すると共に測定信号を検出するポンプ制御回路部と、
   前記センサ素子内に配設され、電力供給されることにより発熱して前記固体電解質を加熱するヒータ部と、
   前記ヒータ部への通電状態を制御するヒータ制御回路部と、を備え、
   前記ヒータ制御回路部は、前記ヒータ部へ印加される電圧の１／２の電圧を前記センサ素子の制御基準電位として生成し、前記制御基準電位は、前記センサ素子の接地電位となる、ガスセンサ。
2. 前記ヒータ制御回路部は、前記ヒータ部へ供給する電力をＰＷＭ制御し、前記ヒータ部へ印加される電圧の所定時間の平均の電圧に基づいて前記制御基準電位を生成する、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 酸素イオン伝導性の固体電解質からなり複数の電極を有するセンサ素子と、前記センサ素子内に配設され電力供給されることにより発熱して前記固体電解質を加熱するヒータ部とを備え、被測定ガス中の所定ガス成分の濃度を、前記所定ガス成分が分解することにより前記固体電解質内を流れる電流に基づいて特定するガスセンサの電極電位を制御する方法であって、
   前記ヒータ部へ印加される電圧の１／２の電圧を制御基準電位として生成するとともに、前記制御基準電位を前記センサ素子の接地電位に設定し、前記制御基準電位によって、前記センサ素子の複数の電極の電位を制御する、ガスセンサの電極電位の制御方法。
4. 前記ヒータ部へ供給する電力をＰＷＭ制御し、前記ヒータ部へ印加される電圧の所定時間の平均の電圧に基づいて前記制御基準電位を生成する、請求項３に記載のガスセンサの電極電位の制御方法。

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