JP5985320B2

JP5985320B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5985320B2
Application number: JP2012201107A
Authority: JP
Inventors: 雄三樋口; 朋典上村
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-09-13
Filing date: 2012-09-13
Publication date: 2016-09-06
Anticipated expiration: 2032-09-13
Also published as: JP2014055865A

Description

本発明は、固体電解質体及び該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える検知部と、検知部を加熱するヒータとを有するガスセンサに関する。

自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、吸気管を流通する吸気ガスや排気管を流通する排気ガスといったガス雰囲気中の特定ガス成分のガス濃度を検出するガスセンサが知られている。このガスセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなるセルを１つないし複数備える検知部と、この検知部を加熱するヒータを有したセンサ素子を備えている。そして、ヒータにより固体電解質体を活性化温度（８００℃程度）に加熱することで、ガス濃度を測定可能としている。
一方、従来のガスセンサは外部装置である電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ）に接続され、ＥＣＵにてセンサ素子からのガス濃度を表す出力信号を処理したり、ヒータの通電制御を行っている。しかしながら、かかる場合には、上記処理のための回路をＥＣＵ内に確保する設計が必要となり設計の自由度が制約されると共に、ＥＣＵ内にこれら回路を設置するスペースを確保するのが困難となることがある。また、センサ素子からの出力信号はアナログ信号であるため、ＥＣＵへの信号送信中に電気的なノイズの影響を受け、ガス濃度の検出精度が低下することがある。
そこで、センサ素子からの出力信号の処理回路及びヒータへの通電量を制御するヒータ制御回路を回路基板上に設け、この回路基板とセンサ素子とを金属製のケース内に一体に収容したガスセンサが開発されている（特許文献１参照）。

特開２００９−１８６４２４号公報

しかしながら、各種の電子部品を実装した回路基板とセンサ素子とを同一のケース（筐体）内に一体に収容した場合、ヒータで活性化温度に加熱されたセンサ素子から回路基板に熱が伝わり、回路基板上の各種の電子部品の動作定格温度（例えば、１５０℃）を超え、回路基板が動作不良となるおそれがある。
特に、いわゆるアイドリングストップと称される、自動車が信号待ち等の所定の自動停止条件で停止した場合には、エンジン（内燃機関）への空気の吸入や、排ガスの排出も停止されることになり、ガスセンサ周囲の気体の流れも停止して熱がこもることになる。そして、この状態でヒータへの通電が維持され、センサ素子の温度が活性化温度に維持され続けると、アイドリングストップの間にセンサ素子から回路基板への受熱が継続され、回路がさらに高温になる。
又、回路基板が過熱されると、ケースを樹脂製としたり、ケースに樹脂コネクタ等を接続した場合には、これらの樹脂部材の耐熱温度を超えるおそれがある。さらに、回路基板に各種のデータ（後述するパラメータ等）を記録する不揮発性の半導体メモリを配置した場合、この半導体メモリ内に電荷として記録されたデータが熱により消去されるおそれがある。
すなわち、本発明は、ヒータを有するセンサ素子と回路基板とを同一の筐体部に収容したガスセンサにおいて、センサ素子からの受熱による回路基板の過熱を防止したガスセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、特定ガスの濃度を検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータとを有するセンサ素子と、前記センサ素子からの出力信号を処理する処理手段、及び、前記センサ素子による前記特定ガスの濃度の検知期間に前記センサ素子の温度を第１温度に維持するよう前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御手段が実装された回路基板と、前記センサ素子と前記回路基板とを収容する筐体部と、を備えたガスセンサであって、前記回路基板には、当該回路基板の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにて測定された前記回路基板の温度が第１閾値を超えたか否かを判定する閾値判定手段とが実装されており、前記ヒータ通電制御手段は、前記閾値判定手段によって前記回路基板の温度が前記第１閾値を超えたと判定されたとき、前記回路基板の温度が前記第１閾値未満となるように前記ヒータへの通電を強制的に制御する抑制処理を実行し、前記閾値判定手段によって前記回路基板の温度が前記第１閾値を超えたと判定された後に第２閾値を下回ったと判定されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記抑制処理を解除した前記ヒータへの通電制御を再開する。
このガスセンサによれば、回路基板の温度が第１閾値を超えると、ヒータ通電制御手段が回路基板の温度が第１閾値未満となるようにヒータへの通電を強制的に制御する抑制処理を実行するので、センサ素子がそれ以上加熱されることがなく、センサ素子から回路基板に熱が伝わって回路基板が動作不良となることを防止できる。つまり、ヒータを有するセンサ素子と回路基板とを同一の筐体部に収容したガスセンサにおいて、回路基板の過熱を有効に防止することができる。

又、回路基板の温度が第２閾値を下回り、回路基板の動作不良が生じない状態になると、ヒータ通電制御手段は抑制処理を解除してヒータへの通電制御を再開するため、回路基板の過熱を抑えた状態でガスセンサを復帰させつつ繰り返し使用することができる。なお、第２閾値の値は、第１閾値と同値であっても良いし、異なる値であってもよい。

前記ガスセンサは内燃機関に設けられた配管に取り付けられ、前記ヒータ通電制御手段は、運転されていた前記内燃機関が所定の自動停止条件を満たして停止した場合に、前記第１温度より低く、且つ、前記第１閾値に対応する温度よりも高い第２温度に前記センサ素子の温度を維持するよう前記ヒータを通電制御してもよい。
このガスセンサによれば、内燃機関が信号待ち等の所定の自動停止条件で停止した場合に、ヒータ通電制御手段が第１温度より低い第２温度にセンサ素子の温度を維持するようヒータを通電制御するので、当該内燃機関の停止状態でガスセンサ周囲に熱がこもっても、ヒータによるセンサ素子の加熱が第１温度より少なくなるので、センサ素子から回路基板への受熱を低減できる。又、センサ素子の加熱を完全に停止せずに予熱状態で待機できるので、当該内燃機関の停止状態が解除されて通常運転に移行した時に、ガスセンサをすぐに第１温度に昇温して特定ガスの濃度の検知を迅速に行える。
つまり、このガスセンサでは、内燃機関が所定の自動停止条件を満たして停止した場合に、第２温度にセンサ素子の温度を維持するようヒータを通電制御することで、回路基板の温度が閾値を超えにくいように対処しつつ、自動停止条件が長時間継続するなどして回路基板の温度が閾値を超えた場合に、上記したヒータの通電を停止する等の処理を実行する２段階の対処を行っているのである。

前記回路基板はさらに、前記処理手段による前記出力信号を処理するためのパラメータ、及び／又は前記ヒータ通電制御手段による前記ヒータを通電制御するためのパラメータを電荷として記録する不揮発性の半導体メモリを有してもよい。
パラメータ（データ）を電荷として記録する不揮発性の半導体メモリは、熱によりパラメータが消去され易いので、かかる不揮発性の半導体メモリを用いる場合に本発明はさらに有効となる。

この発明によれば、ヒータを有するセンサ素子と回路基板とを同一の筐体部に収容したガスセンサにおいて、センサ素子からの受熱による回路基板の過熱を防止することができる。

本発明の実施形態に係るガスセンサの断面図である。ガスセンサの分解斜視図である。センサ素子の分解斜視図である。回路基板収納部に検知部収納部を組み付ける前の斜視図である。処理手段、ヒータ通電制御手段、及び閾値判定手段の構成を示すブロック図である。閾値判定手段２０Ｃによるヒータへの通電の可否情報の生成のフローチャートを示す図である。ヒータ通電制御処理のフローチャートを示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に示すように、ガスセンサは、センサ素子１０と、回路基板２０と、両者１０、２０に接続される端子５０と、これらを一括して収納するケース（特許請求の範囲の「筐体部」に相当）６０とを備えている。ガスセンサは、内燃機関を備える自動車等の配管（例えば、吸気ガス系）に取り付けられている。なお、本実施例では被測定ガス中の特定ガスとして酸素を例示して説明する。

センサ素子１０は、長手方向に延びる板状をなし、先端側（長手方向一端側であり、図中下方）に検知部１１が形成され、上端側の外表面のうち表裏面に電極端子部１２０、１２１が形成されている。このセンサ素子１０は、図３に示すように、検出素子３００とヒータ２００とが積層された構造とされている。検出素子３００は、酸素濃度検出セル１３０と酸素ポンプセル１４０とが積層された構造とされている。
ヒータ２００は、アルミナを主体とする第１基体１０１及び第２基体１０３と、第１基体１０１と第２基体１０３とに挟まれ、白金を主体とする発熱体１０２とを有している。発熱体１０２は、先端側に位置する発熱部１０２ａと、発熱部１０２ａから第１基体１０１の長手方向に沿って延びる一対のヒータリード部１０２ｂとを有している。そして、ヒータリード部１０２ｂの端末は、第１基体１０１に設けられるヒータ側スルーホール１０１ａに形成された導体を介して電極端子部１２０と電気的に接続されている。

酸素濃度検出セル１３０は、第１固体電解質体１０５と、その第１固体電解質体１０５の両面に形成された第１電極１０４及び第２電極１０６とから形成されている。第１電極１０４は、第１電極部１０４ａと、第１電極部１０４ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第１リード部１０４ｂとから形成されている。第２電極１０６は、第２電極部１０６ａと、第２電極部１０６ａから第１固体電解質体１０５の長手方向に沿って延びる第２リード部１０６ｂとから形成されている。
そして、第１リード部１０４ｂの端末は、第１固体電解質体１０５に設けられる第１スルーホール１０５ａ、後述する絶縁層１０７に設けられる第２スルーホール１０７ａ、第２固体電解質体１０９に設けられる第４スルーホール１０９ａ及び保護層１１１に設けられる第６スルーホール１１１ａのそれぞれに形成された導体を介して電極端子部１２１の１つと電気的に接続されている。一方、第２リード部１０６ｂの端末は、後述する絶縁層１０７に設けられる第３スルーホール１０７ｂ、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成された導体を介して電極端子部１２１の１つと電気的に接続されている。

一方、酸素ポンプセル１４０は、第２固体電解質体１０９と、その第２固体電解質体１０９の両面に形成された第３電極１０８及び第４電極１１０とから形成されている。第３電極１０８は、第３電極部１０８ａと、この第３電極部１０８ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第３リード部１０８ｂとから形成されている。第４電極１１０は、第４電極部１１０ａと、この第４電極部１１０ａから第２固体電解質体１０９の長手方向に沿って延びる第４リード部１１０ｂとから形成されている。
そして、第３リード部１０８ｂの端末は、第２固体電解質体１０９に設けられる第５スルーホール１０９ｂ及び保護層１１１に設けられる第７スルーホール１１１ｂのそれぞれに形成された導体を介して電極端子部１２１の１つ（第２リード部１０６ｂが電気的に接続される電極端子部１２１と共通）と電気的に接続されている。一方、第４リード部１１０ｂの端末は、保護層１１１に設けられる第８スルーホール１１１ｃに形成された導体を介して電極端子部１２１の１つと電気的に接続されている。

これら第１固体電解質体１０５、第２固体電解質体１０９は、ジルコニア（ＺｒＯ₂）に安定化剤としてイットリア（Ｙ₂Ｏ₃）又はカルシア（ＣａＯ）を添加してなる部分安定化ジルコニア焼結体から構成されている。
発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、白金族元素で形成することができる。これらを形成する好適な白金族元素としては、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ等を挙げることができ、これらはその一種を単独で使用することもできるし、又二種以上を併用することもできる。
もっとも、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、耐熱性及び耐酸化性を考慮するとＰｔを主体にして形成することがより一層好ましい。さらに、発熱体１０２、第１電極１０４、第２電極１０６、第３電極１０８、第４電極１１０、電極端子部１２０及び電極端子部１２１は、主体となる白金族元素の他にセラミック成分を含有することが好ましい。

そして、上記酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０との間には、絶縁層１０７が形成されている。絶縁層１０７は、絶縁部１１４と拡散律速部１１５とからなる。この絶縁層１０７の絶縁部１１４には、第２電極部１０６ａ及び第３電極部１０８ａに対応する位置にガス検出室１０７ｃが形成されている。このガス検出室１０７ｃは、絶縁層１０７の幅方向で外部と連通しており、この連通部分に、外部とガス検出室１０７ｃとの間のガス拡散を所定の律速条件下で実現する拡散律速部１１５が配置されている。
絶縁部１１４は、絶縁性を有するセラミック焼結体であれば特に限定されず、例えば、アルミナやムライト等の酸化物系セラミックを挙げることができる。拡散律速部１１５は、アルミナからなる多孔質体である。この拡散律速部１１５によって被測定ガスがガス検出室１０７ｃへ流入する際の律速が行われる。
また、第２固体電解質体１０９の表面には、第４電極１１０を挟み込むようにして、保護層１１１が形成されている。この保護層１１１は、第４電極部１１０ａを挟み込む多孔質の電極保護部１１３ａが、第４リード部１１０ｂを挟み込む補強部１１２に形成された貫通孔１１２ａに挿入配置された形態をなしている。

図１に示すように、回路基板２０は、センサ素子１０の上端より上方に位置し、その板面をセンサ素子１０の長手方向（軸方向）と略直交する方向に向けて配置されている。そして、回路基板２０は、センサ素子１０の電極端子部１２０、１２１と端子５０を介して電気的に接続されると共に、自動車の運転制御や空燃比制御等の総合的な制御を行う電子制御ユニット（以下、ＥＣＵ９９という）と電線９０を介して電気的に接続されている。
図２に示すように、回路基板２０の表面には、信号処理用の各種電子部品２１、例えば、集積回路（ＩＣ）、抵抗器及びコンデンサが実装されている。回路基板２０の表面には、さらに回路基板２０の温度を測定する温度センサ（半導体温度センサ）２５、及び後述するパラメータを電荷として記録するＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）２７が実装されている。

そして、図５に示すように、上記した各種電子部品２１等により、回路基板２０の表面（上面）には、センサ素子１０からの出力信号を処理する処理手段２０Ａと、ヒータ２００を通電制御するヒータ通電制御手段２０Ｂと、回路基板２０の温度が閾値を超えたか否かを判定する閾値判定手段２０Ｃとが構成されている。
処理手段２０Ａは、センサ素子１０の電気的特性に応じて変化するセンサ信号（酸素濃度に応じた出力信号）をアナログ・デジタル変換器によりアナログ信号からデジタル信号に変換するセンサ信号変換回路２０Ａ１と、センサ素子１０の温度を表す信号を検出するセンサ温度検出回路２０Ａ２を有している。このうち、センサ信号変換回路２０Ａ１で生成されたデジタル信号はＥＣＵ９９に向けて出力され、ＥＣＵ９９では入力されたデジタル信号に基づき被測定ガスの濃度変化を検出する処理が実行される。
一方、センサ温度検出回路２０Ａ２は、センサ素子１０の温度信号をヒータ通電制御手段２０Ｂに出力する。なお、公知のようにセンサ素子１０の固体電解質体の内部抵抗は温度によって変化するので、センサ温度検出回路２０Ａ２は、固体電解質体の内部抵抗、即ち酸素濃度検出セル１３０の内部抵抗Ｒpvsを定期的に測定し、内部抵抗Ｒpvsとセンサ素子１０の温度との関係からセンサ素子１０の温度を算出する。

ヒータ通電制御手段２０Ｂは、温度狙い値切替回路２０Ｂ１、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２、ヒータ制御回路２０Ｂ３、及びヒータドライバ２０Ｂ４を有している。実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２は、センサ温度検出回路２０Ａ２からセンサ素子１０の温度信号（すなわち、酸素濃度検出セル１３０の内部抵抗Ｒpvsを反映した信号）を受信すると共に、温度狙い値切替回路２０Ｂ１からセンサ素子１０の目標温度（目標抵抗）を受信する。そして、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２は、センサ素子１０を目標温度まで加熱するためのヒータ２００の実効電圧（通電量）を計算する。具体的には、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２は、内部抵抗Ｒpvsが目標温度を示す抵抗値（目標Ｒpvs）となるようなヒータ２００の実効電圧を演算する。
ヒータ制御回路２０Ｂ３は、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２で演算された実効電圧が得られるよう、ヒータ２００に印加する電圧の電圧波形（オン信号とオフ信号とからなるパルス駆動信号）のデューティ比を算出する。なお、デューティ比の算出に当たり、ヒータ制御回路２０Ｂ３は電源であるバッテリ（図示せず）の電源電圧を読み込み、公知の算出手法によりデューティ比を算出する。
ヒータドライバ２０Ｂ４はヒータ２００への通電をＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）するためのスイッチング素子であり、ヒータ２００の一端とバッテリとの間に配置され、ヒータ２００の他端はグランド電位に接続されている。そして、ヒータドライバ２０Ｂ４は、ヒータ制御回路２０Ｂ３が算出したデューティ比に調整されたパルス駆動信号に基づきオン、オフ制御され、これによりヒータ２００の通電制御が実行される。
なお、閾値判定手段２０Ｃの構成及び動作、並びにＥＥＰＲＯＭ２７に記録された「第１温度」及び「第２温度」については後述する。

図１、図２に示すように、センサ素子１０の電極端子部１２０、１２１と、回路基板２０の処理手段２０Ａ及びヒータ通電制御手段２０Ｂとの間には、双方間を電気的に中継する５本の端子５０が介設されている。各端子５０は、帯状のリード端子であって軸方向に延びて配置され、その一端側（図中下方）が電極端子部１２０、１２１のそれぞれとロー付けにより接続されていると共に、その他端側（図中上方）が回路基板２０の導体が形成されたスルーホール２２に裏面側（下方）から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。
また、回路基板２０の一端側方には筒状のコネクタ部３０が外方に開口して配置され、このコネクタ部３０内には５本のコネクタピン３１が横並びに突出して配置されている。各コネクタピン３１は、コネクタ部３０の背面から引き出されて回路基板２０の裏面側へクランク状に折り曲げられ、さらに回路基板２０の導体が形成されたスルーホール２３に裏面側から挿通されて、回路基板２０の表面側で信号変換回路及びヒータ制御回路とそれぞれ半田付けにより接続されている。
さらに、コネクタ部３０は、図１に示すように、相手コネクタ部９５と嵌合され、この嵌合に伴ってコネクタピン３１が相手コネクタ部９５に装着された相手コネクタピン９６と電気的に接続される。相手コネクタピン９６はＥＣＵ９９との間に配策された電線９０の端末に接続されている。

続いてケース６０について説明する。ケース６０は金属製であり、センサ素子１０の周りを包囲して軸方向に細長く延びる筒状の検知部収納部６１と、回路基板２０の周りを包囲して軸方向と略直交する方向に沿う扁平箱形状の回路基板収納部６２とから構成されている。回路基板収納部６２は、上下に装着される上カバー６３及び下カバー６４により構成されている。
図２に示すように、上カバー６３は全体として浅皿状をなし、略矩形状の蓋部６３ａと、この蓋部６３ａの４辺から立ち下がる立下部６３ｂとからなる。
蓋部６３ａには、透過部材６５が嵌着される円形の嵌着孔６６が開設されている。透過部材６５は、図１に示すように、防水性及び通気性を有するフィルタ６５ａと、このフィルタ６５ａを内包するキャップ６５ｂとからなり、キャップ６５ｂと上カバー６３との間に、第１シールリング６７が設けられている。フィルタ６５ａは、回路基板収納部６２の内側から外側に向かう空気の通過を許容するが、回路基板収納部６２の外側から内側に向かう水の浸入を規制するものであり、例えば、ゴアテックス（登録商標）を挙げることができる。

そして、図２に示すように、立下部６３ｂの下端には、下向きに突出する凸部６８が周方向に沿って形成されている。また、立下部６３ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第１切欠窓６９が下方に開口して形成されている。さらに、立下部６３ｂの両長辺側には、板状の張出縁部７０が長辺方向に沿って形成されている。張出縁部７０には、４隅寄りの位置に第１貫通孔７１が開設され、長辺方向の略中央部に第２貫通孔７２が開設されている。
下カバー６４は、全体として上カバー６３よりも肉厚で且つ上カバー６３より深い皿状をなし、略矩形状の底部６４ａと、この底部６４ａの４辺から立ち上がる立上部６４ｂとからなる。立上部６４ｂの上端には、凸部６８を受ける溝７３が周方向に沿って形成されている。また、立上部６４ｂの短辺側の一方には、コネクタ部３０と対応する位置に、第２切欠窓７４が上方に開口して形成されている。さらに、立上部６４ｂの両長辺側は、張出縁部７０の張出量に相当する肉厚を有し、その４隅寄りの位置に第１受け孔７５が開設され、長辺方向の略中央部に第２受け孔７６が開設されている。

上カバー６３及び下カバー６４の組み付けにあたり、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、凸部６８が溝７３に嵌まり、上カバー６３及び下カバー６４の互いの位置決めがなされる。また、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、第１貫通孔７１と第１受け孔７５とが互いに整合し、両孔７１、７５を連通するボルト（図示せず）の締め付けにより上カバー６３と下カバー６４とが互いに固定される。同じく整合状態となる第２貫通孔７２と第２受け孔７６とはガスセンサの取り付けに伴い、取付対象体（ガスが流通する配管）の取付面９８に開設された係合孔（図示せず）と整合し、これら第２貫通孔７２、第２受け孔７６及び係合孔９７を連通するボルトの締め付けによりガスセンサが取付対象体に装着される。
さらに、立上部６４ｂの上端と立下部６３ｂの下端とが互いに突き合わされると、コネクタ部３０の外周面に形成された凹溝３２（図２参照）に、上方から第１切欠窓６９が嵌着すると共に下方から第２切欠窓７４が嵌着し、これにより、コネクタ部３０が上カバー６３と下カバー６４との間に挟まれた状態で固定される。又、図１に示すように、コネクタ部３０の凹溝３２の溝底にはシール部３５が周設され、このシール部３５によりコネクタ部３０とケース６０との間のシールがとられる。
また、図２に示すように、下カバー６４の内面の４隅には回路基板２０を支持する支持部７８が立設され、支持部７８の上端には第３受け孔７９が開設されている。回路基板２０が支持部７８に支持されたときに、第３受け孔７９と回路基板２０の４隅に開設された第３貫通孔２９とが互いに整合し、両孔２９、７９を連通するボルト５１の締め付けにより回路基板２０が下カバー６４に底部６４ａから浮いた状態で固定される。

そして、図４に示すように、下カバー６４の底部６４ａには、円形の装着孔８０が開設され、この装着孔８０に上方から検知部収納部６１が挿通して装着される。この装着孔８０は底部６４ａの中央から偏心した位置に設定されている。また、底部６４ａには、第２シールリング８１が嵌着される環状溝８２が、装着孔８０の周りを取り囲むように形成されている。さらに、底部６４ａにおける環状溝８２より外側には、第４受け孔８３が周方向に間隔をあけて形成されている。
一方、検知部収納部６１は長手方向に細長く延びる有底の円筒状をなし、その上端開口縁に、フランジ部８４が径方向外向きに張り出して形成されている。そして、フランジ部８４には第４貫通孔８５が周方向に間隔をあけて形成されている。検知部収納部６１が下カバー６４の装着孔８０に装着されると、第４貫通孔８５と第４受け孔８３とが互いに整合し、両孔８３、８５を連通するボルト５３の締め付けにより検知部収納部６１が下カバー６４に固定される。このとき、フランジ部８４と下カバー６４との間は第２シールリング８１によってシールがとられる。

また、検知部収納部６１は、図１に示すように、厚みが厚い上部６１ａと、厚みが中程度の中間部６１ｂと、厚みが薄い下部６１ｃとが順に連なった形態となっている。図４に示すように、検知部収納部６１の上部６１ａの外周面には、第３シールリング８６が嵌着される外周溝８７が周設されている。図１に示すように、検知部収容部６１が取付対象体の装着孔９３に装着されたとき、取付対象体の装着孔９３の内周面と検知部収納部６１の外周面との間は第３シールリング８６によってシールがとられる。
また、検知部収納部６１の中間部６１ｂの内周面には段部８８が設けられ、この段部８８を境とする下側が上側より縮径された形態となっている。段部８８にはセンサ素子１０を保持する保持部材４１が上方から当て止めされ、これにより、センサ素子１０が検知部収納部６１内に上下方向に位置決め状態で保持されている。保持部材４１は、アルミナからなるセラミック製のリング部材であり、センサ素子１０の外周面のうち検知部１１より上方に嵌着されている。
さらに、検知部収納部６１の下部６１ｃには上下方向に延びるスリット状の通気孔８９が開設され、検知部収納部６１内にセンサ素子１０が収納された状態では、通気孔８９に内側からセンサ素子１０の検知部１１が臨むように配置されている。配管を流れるガスの流路に検知部収納部６１の下部６１ｃが曝されると、被測定ガスが通気孔８９から検知部収納部６１内に導入され、導入された被測定ガスがセンサ素子１０の検知部１１に接触する。検知部収納部６１の壁面は通気孔８９を残して閉塞されている。

また、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、且つ保持部材４１の上方には硬化部４２が設けられている。硬化部４２は、例えば、アルミナ、具体的にはアルミナセメントの硬化体を挙げることができる。また、アルミナは非導電性であるため、センサ素子１０と電気的に干渉することがなく、ガスセンサの機能を良好に発揮させることができる。
さらに、検知部収納部６１とセンサ素子１０との間で、且つ回路基板２０に近い、保持部材４１及び硬化部４２の上方には封止部４３が設けられ、この封止部４３によってセンサ素子１０の上端部が気密に封止されている。封止部４３は、耐熱性を有する絶縁樹脂からなるのが好ましく、例えば、エポキシ樹脂やフッ素ゴムからなり得る。また、封止部４３は、エポキシ樹脂及びフッ素ゴムの両方によって構成してもよい。このように封止部４３がセンサ素子１０の上端部を封止することにより、検知部収納部６１から回路基板収納部６２に水が移動するのを防止し、回路基板２０に水が接触するのを防ぐことができる。

次に、本発明の特徴部分である、閾値判定手段２０Ｃによる閾値判定、及びヒータ通電制御手段２０Ｂによるヒータ通電制御処理について、図５〜図７を参照して説明する。図６は閾値判定手段２０Ｃによるヒータへの通電の可否情報の生成のフローチャート、図７はヒータ通電制御処理のフローチャートである。
図５に示すように、閾値判定手段２０Ｃは、回路温度検出回路２０Ｃ１、ＯＮ→ＯＦＦ閾値、ＯＦＦ→ＯＮ閾値、及び閾値比較回路（コンパレータ）２０Ｃ２を有している。回路温度検出回路２０Ｃ１は、温度センサ２５から回路基板２０の温度を表す信号（電圧信号）を検出し、閾値比較回路２０Ｃ２に出力する。ＯＮ→ＯＦＦ閾値は、回路基板２０の温度が第１閾値を超えたときにヒータ２００への通電を停止する温度値であり、詳細には、当該温度値に対応する電圧値が閾値比較回路２０Ｃ２に出力される。ＯＦＦ→ＯＮ閾値は、回路基板２０の温度が第２閾値未満になったときにヒータへの通電を許容する温度値であり、詳細には、当該温度値に対応する電圧値が閾値比較回路２０Ｃ２に出力される。なお、ＯＦＦ→ＯＮ閾値は、ＯＮ→ＯＦＦ閾値（例えば、１４５℃）より低い温度であり、ＯＦＦ→ＯＮ閾値を、回路基板２０上の各種電子部品２１の動作定格温度（例えば、１５０℃）より低温（例えば、ＯＦＦ→ＯＮ閾値＝１４０℃）に設定するとよい。
又、ＯＦＦ→ＯＮ閾値とＯＮ→ＯＦＦ閾値は同じ値であってもよいが、両閾値が同じ値である場合には、閾値の前後でヒータ２００への通電のＯＮ、ＯＦＦが頻繁に切り替わり、ヒータ２００への通電制御が不安定になることがあるが、上述のように温度の異なる２つの値を第１、第２閾値に設定することで、かかる不具合を防止できる。

そして、図６に示すように、閾値比較回路２０Ｃ２は、まずヒータ２００への通電の可否情報として、「H_Enable」に「偽（False）」をセットする（ステップＳ２）。「H_Enable」は真の場合にヒータ２００への通電を許容し、偽の場合に通電を停止するフラグである。次に、閾値比較回路２０Ｃ２は、回路基板２０の温度がＯＦＦ→ＯＮ閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ４）。ステップＳ４で「Ｎｏ」であればステップＳ２に戻る。ステップＳ４で「Ｙｅｓ」であれば、閾値比較回路２０Ｃ２は、「H_Enable」に「真（True）」をセットする（ステップＳ６）。次に、閾値比較回路２０Ｃ２は、回路基板２０の温度がＯＮ→ＯＦＦ閾値未満であるか否かを判定する（ステップＳ８）。ステップＳ８で「Ｎｏ」であればステップＳ２に戻る。ステップＳ８で「Ｙｅｓ」であればステップＳ８に戻る。
このようにして、回路基板２０の温度がＯＦＦ→ＯＮ閾値未満である限り「H_Enable」に「真（True）」がセットされ、回路基板２０の温度がＯＦＦ→ＯＮ閾値を超えると「H_Enable」に「偽（False）」がセットされる。
そして、「H_Enable」の値は、所定のタイミング毎にヒータ制御回路２０Ｂ３に出力される。

次に、図７に示すように、ヒータ通電制御手段２０Ｂによりヒータ通電制御処理が行われる。まず、ヒータ制御回路２０Ｂ３は、閾値比較回路２０Ｃ２から受信した「H_Enable」の値が真（True）であるか否かを判定する（ステップＳ２０）。ステップＳ２０で「偽（False）」であればステップＳ３８の処理に移行し、Ｄｕｔｙ計算タイミングが経過したか否かを判定する。このように、ヒータ制御回路２０Ｂ３は、ステップＳ２０で「H_Enable」の値が「偽（False）」であると判定されると、Ｓ２２〜Ｓ３６の処理をスキップすることで、実効電圧狙い値を計算せず、且つ、ヒータドライバ２０Ｂ４自身の駆動を行わないようにして、ヒータ２００への通電を停止する処理（抑制処理）を実行する。一方、ステップＳ２０で「真（True）」であれば、センサ温度検出回路２０Ａ２は酸素濃度検出セル１３０の内部抵抗Ｒpvsの検出を通じてセンサ温度を検出する（ステップＳ２２）。
続いて、温度狙い値切替回路２０Ｂ１は、ＥＣＵ９９からアイドルストップ信号を受信したか否かを判断する（ステップＳ２４）。ここで、アイドルストップ信号は、自動車が信号待ち等の所定の自動停止条件で停止した（アイドリングストップ）ことを示す信号である。自動停止条件としては、（１）車速が０ｋｍ／ｈであること、（２）アクセルペダルの踏み込み量が０であること、（３）ブレーキペダルの踏み込みが有ること、を全て満たすという条件を例示することができるが、この例に限られない。又、アイドリングストップでは、エンジン（内燃機関）への空気の吸入や、排ガスの排出も停止される。

そして、ステップＳ２４で「Ｎｏ」であれば、温度狙い値切替回路２０Ｂ１は、ＥＥＰＲＯＭ２７から第１温度の値を取得する（ステップＳ２６）。一方、ステップＳ２４で「Ｙｅｓ」であれば、温度狙い値切替回路２０Ｂ１は、ＥＥＰＲＯＭ２７から第２温度の値を取得する（ステップＳ２８）。
ここで、「第１温度」は、内燃機関がアイドリングストップ等の所定の自動停止条件で停止していない、つまり、内燃機関が通常運転をしている場合のガスセンサの制御温度（目標温度）であり、例えば８００℃程度に設定され、固体電解質体を活性化させて特定ガス（酸素）の濃度検知を精度良く行えるようになっている。一方、「第２温度」は、内燃機関がアイドリングストップ等の所定の自動停止条件で停止している場合のガスセンサの制御温度（目標温度）であり、第１温度より低温（例えば６００℃）に設定されている。第２温度は、アイドリングストップ等が解除されて内燃機関の通常運転に移行した時に、ガスセンサをすぐに第１温度に昇温して被測定ガスの検知を迅速に行えるよう、センサ素子１０を予熱状態で待機できる温度に設定される。又、第２温度は、アイドリングストップ等で内燃機関への空気の吸入や、排ガスの排出が停止され、ガスセンサ周囲の気体の流れも停止して熱がこもった状態でヒータへの通電が維持されても、センサ素子１０から回路基板２０への受熱を低減できる温度に設定される。
なお、第１温度及び第２温度が、特許請求の範囲の「ヒータを通電制御するためのパラメータ」に相当する。

次に、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２は、ステップＳ２２でセンサ温度検出回路２０Ａ２が取得したセンサ温度と、ステップＳ２６又はＳ２８で温度狙い値切替回路２０Ｂ１が取得したセンサ素子１０の目標温度（第１温度又は第２温度）とに基づき、センサ素子１０を目標温度に制御（維持）するためのヒータ２００の実効電圧（通電量）を計算する（ステップＳ３０）。
次に、ヒータ制御回路２０Ｂ３は、ヒータ２００に接続されるバッテリの電源電圧を検出し（ステップＳ３２）、実効電圧狙い値計算回路２０Ｂ２で演算された実効電圧が得られるよう、ヒータ２００に印加する電圧の電圧波形のデューティ比を算出する（ステップＳ３４）。そして、ヒータ制御回路２０Ｂ３は、このデューティ比を有するパルス駆動信号（１周期分のパルス駆動信号）をヒータドライバ２０Ｂ４へ出力し（ステップＳ３６）、ヒータドライバ２０Ｂ４は、デューティ比に応じた電圧（実効電圧）をヒータ２００に印加し、ヒータ２００の通電制御を行う。

以上説明したように、本発明の実施形態に係るガスセンサによれば、回路基板２０の温度が第１閾値に相当するＯＮ→ＯＦＦ閾値を超えると、ヒータ通電制御手段２０Ｂがヒータ２００への通電を停止するのでセンサ素子１０がそれ以上加熱されることがなく、センサ素子１０から回路基板２０に熱が伝わって回路基板２０上の各電子部品の動作定格温度を超えて回路基板が動作不良となることを防止できる。つまり、ヒータ２００を有するセンサ素子１０と回路基板２０とを同一の筐体部６０に収容したガスセンサにおいて、回路基板２０の過熱を有効に防止することができる。
又、本発明の実施形態に係るガスセンサを、内燃機関に設けられた配管に取り付けると共に、内燃機関が信号待ち等の所定の自動停止条件で停止した場合に、ヒータ通電制御手段２０Ｂが第１温度より低く、且つ、第１閾値としてのＯＮ→ＯＦＦ閾値に対応する温度よりも高い第２温度にセンサ素子１０の温度を維持するようヒータ２００を通電制御すれば、当該内燃機関の停止状態でガスセンサ周囲に熱がこもっても、ヒータによるセンサ素子１０の加熱が第１温度より少なくなるので、センサ素子１０から回路基板２０への受熱を低減できる。又、センサ素子１０の加熱を完全に停止せずに予熱状態で待機できるので、当該内燃機関の停止状態が解除されて通常運転に移行した時に、ガスセンサをすぐに第１温度に昇温して特定ガス（酸素）の濃度検知を迅速に行える。
なお、このようにセンサ素子１０の温度を第１温度及び第２温度に維持する際、第１温度及び第２温度（ヒータを通電制御するためのパラメータ）をＥＥＰＲＯＭ２７等の不揮発性の半導体メモリに記録すると、ガスセンサを使用するユーザの要求仕様やセンサ種別に応じたパラメータの変更が容易となって汎用性が向上するが、この不揮発性の半導体メモリはデータを電荷として記録する（電気信号で書き込み可能である）ため、熱によりデータが消去され易い。従って、このように、データを電荷として記録する不揮発性の半導体メモリを用いる回路基板２０において、本発明はさらに有効となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能なことは言うまでもない。本実施の形態のガスセンサは、酸素ポンプセル１４０と酸素濃度検出セル１３０とを備えた２セル式のガスセンサであるが、その他のタイプのガスセンサ（１セルタイプの酸素センサや３セルタイプのＮＯｘセンサなど）に対し、本発明を適用してもよい。
また、ヒータをセンサ素子に積層した板状センサに限らず、筒状のセンサ素子の内部にヒータを挿入した筒型センサであってもよい。
また、本実施の形態では、ヒータ通電制御手段２０Ｂは、ＥＣＵ９９からアイドルストップ信号（内燃機関が所定の自動停止条件で停止したことを示す信号）を受信したが、例えば上述の自動停止条件として例示した３つの条件値（車速等）をＥＣＵ９９から受信し、ヒータ通電制御手段２０Ｂ自身がこれら条件からアイドリングストップ（内燃機関が所定の自動停止条件で停止したこと）の有無を判断してもよい。
さらに、温度センサ２５は、サーミスタ（抵抗変化型温度センサ）でもよいし、ＥＥＰＲＯＭやその他の集積回路に内蔵した半導体温度センサであってよい。また、不揮発性の半導体メモリに記録されるパラメータ（データ）は、第１温度及び第２温度に限らず、ヒータを通電制御するためのパラメータであれば何でもよく、処理手段２０Ａによる出力信号を処理するためのパラメータ（例えば、センサ信号を増幅するための増幅率）であってもよい。
データを電荷として記録する不揮発性の半導体メモリとしては、上記したＥＥＰＲＯＭの他、（例えば、フラッシュメモリ）であってもよい。

さらに、上記実施の形態では、図７におけるステップＳ２０で「偽（False）」であればステップＳ２０に戻り、ヒータ制御回路２０Ｂ３は、実効電圧狙い値を計算せず、且つ、ＰＷＭ出力を実施することなく、ヒータドライバ２０Ｂ４自身の駆動を行わない抑制処理を実行したが、抑制処理はこれに限定されない。具体的には、ステップＳ２０で「偽（False）」であれば、当該ステップＳ２０で「真（True）」と判定されるまで、回路基板２０の温度が第１閾値としてのＯＮ→ＯＦＦ閾値未満となるようにヒータ２００への通電を強制的に制御する処理（抑制処理）を実行するようにしてもよい。このヒータ２００への通電を強制的に制御するにあたっては、ガスセンサの制御温度（目標温度）をＯＮ→ＯＦＦ閾値未満の値に設定して、ヒータ２００に印加する電圧の電圧波形のデューティ比を算出してヒータ２００を通電制御してもよいし、回路基板２００の温度がＯＮ→ＯＦＦ閾値を超えないように設定された一定のデューティ比のもと、ヒータ２００を通電制御するようにしてもよい。

１０センサ素子
１１検知部
２０回路基板
２０Ａ処理手段
２０Ｂヒータ通電制御手段
２０Ｃ閾値判定手段
２５温度センサ
２７不揮発性の半導体メモリ
６０筐体部
１０５、１０９固体電解質体
１０４ａ、１０６ａ、１０８ａ、１１０ａ一対の電極
２００ヒータ

Claims

固体電解質体及び該固体電解質体上に形成された一対の電極を備え、特定ガスの濃度を検知する検知部と、前記検知部を加熱するヒータとを有するセンサ素子と、
前記センサ素子からの出力信号を処理する処理手段、及び、前記センサ素子による前記特定ガスの濃度の検知期間に前記センサ素子の温度を第１温度に維持するよう前記ヒータを通電制御するヒータ通電制御手段が実装された回路基板と、
前記センサ素子と前記回路基板とを収容する筐体部と、を備えたガスセンサであって、
前記回路基板には、当該回路基板の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにて測定された前記回路基板の温度が第１閾値を超えたか否かを判定する閾値判定手段とが実装されており、
前記ヒータ通電制御手段は、前記閾値判定手段によって前記回路基板の温度が前記第１閾値を超えたと判定されたとき、前記回路基板の温度が前記第１閾値未満となるように前記ヒータへの通電を強制的に制御する抑制処理を実行し、
前記閾値判定手段によって前記回路基板の温度が前記第１閾値を超えたと判定された後に第２閾値を下回ったと判定されたとき、前記ヒータ通電制御手段は、前記抑制処理を解除した前記ヒータへの通電制御を再開するガスセンサ。
前記ガスセンサは内燃機関に設けられた配管に取り付けられ、
前記ヒータ通電制御手段は、運転されていた前記内燃機関が所定の自動停止条件を満たして停止した場合に、前記第１温度より低く、且つ、前記第１閾値に対応する温度よりも高い第２温度に前記センサ素子の温度を維持するよう前記ヒータを通電制御する請求項１記載のガスセンサ。
前記回路基板はさらに、前記処理手段による前記出力信号を処理するためのパラメータ、及び／又は前記ヒータ通電制御手段による前記ヒータを通電制御するためのパラメータを電荷として記録する不揮発性の半導体メモリを有する請求項１又は２記載のガスセンサ。