JPH1019841A - ガスセンサ及びガス濃度制御器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】酸素ポンプへの制御電圧のフィードバック制御
系の発振現象を有効に解消し、しかも酸素ポンプのイン
ピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収して、酸素濃
度を精度よく検出する。 【解決手段】基準電極２６と内側ポンプ電極２４ａとの
間の両端電圧を基準電圧Ｖｂと比較してその差分を所定
のゲインにて増幅して出力する比較増幅器３２を設け、
該比較増幅器３２からの出力電圧を酸素ポンプ２２への
ポンプ電圧Ｖｐとして内側ポンプ電極２４ａと外側ポン
プ電極２４ｂ間に印加するように配線接続し、ポンプ電
流検出用の抵抗Ｒｉを比較増幅器３２の出力端と酸素ポ
ンプ２２の外側ポンプ電極２４ｂとの間に挿入接続し、
抵抗Ｒｉの両端をコンデンサＣで短絡し、更に該コンデ
ンサＣの一方の電極を差動増幅器４４の非反転端子に接
続し、他方の電極を差動増幅器４４の反転端子に接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、車両の排
気ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ₂ ，ＳＯ₂、ＣＯ
₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガス
を測定するガスセンサ及びガス濃度制御器に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、ガソリン車やディーゼルエンジン
車等の車両から排出される排気ガス中には、一酸化窒素
（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ₂ ）等の窒素酸化物（ＮＯ
ｘ）や、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ₂ ）、
水（Ｈ₂ Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）、水素（Ｈ₂ ）、酸素
（Ｏ₂ ）等が含まれている。この場合、ＮＯはＮＯｘ全
体の約８０％を占め、また、ＮＯとＮＯ₂ とでＮＯｘ全
体の約９５％を占めている。

【０００３】このような排気ガス中に含まれるＨＣ、Ｃ
Ｏ、ＮＯｘを浄化する三元触媒は、理論空燃比（Ａ／Ｆ
＝１４．６）近傍で最大の浄化効率を示し、Ａ／Ｆを１
６以上に制御した場合には、ＮＯｘの発生量は減るが、
触媒の浄化効率が低下し、結果的に、ＮＯｘの排出量が
増える傾向がある。

【０００４】ところで、最近では、化石燃料の有効利
用、地球温暖化防止のためにＣＯ₂ の排出量の抑制等の
市場要求が増大しており、これに対応するために燃費を
向上させる必要性が高まりつつある。このような要求に
対して、例えば、リーン・バーン・エンジンの研究や、
ＮＯｘ浄化触媒の研究等が行われており、その中でもＮ
Ｏｘセンサのニーズが高まっている。

【０００５】従来、このようなＮＯｘを検出する装置と
して、ＮＯｘ分析計がある。このＮＯｘ分析計は、化学
発光分析法を用いてＮＯｘ固有の特性を測定するもので
あるが、装置自体が極めて大がかりであり、高価である
という不都合がある。

【０００６】また、ＮＯｘを検出するために光学系部品
を用いているため、煩雑なメンテナンスが必要である。
更に、このＮＯｘ分析計は、ＮＯｘをサンプリングして
測定するものであり、検出素子自体を流体内に直接挿入
することができず、自動車の排気ガスのように、状況が
頻繁に変動する過渡現象の分析には不向きである。

【０００７】そこで、これらの不都合を解消するものと
して、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体を用い
て排気ガス中の所望のガス成分を測定するようにしたセ
ンサが提案されている。

【０００８】その提案例に係るガスセンサとしては、図
１７に示すような酸素ポンプを用いた限界電流式酸素セ
ンサがある。この酸素センサは、３枚の固体電解質層１
００ａ〜１００ｃが積層されて構成され、２層目の固体
電解質層１００ｂはスペース層とされて、該スペース層
１００ｂの側面と最下層の固体電解質層１００ａの上面
及び最上層の固体電解質層１００ｃの下面にて形成され
る基準ガス導入空間１０２を有する。そして、この基準
ガス導入空間１０２には例えば大気が導入され、その内
壁面には内側ポンプ電極１０４ａが形成されている。ま
た、最上層の固体電解質層１００ｃの上面には外側ポン
プ電極１０４ｂが形成され、該電極１０４ｂを被覆する
ように拡散律速層１０６が形成されている。酸素ポンプ
１０８は、外側ポンプ電極１０４ｂ、内側ポンプ電極１
０４ａ及びその間に存する固体電解質層１００ｃにて構
成される。

【０００９】この酸素センサにおいては、内側ポンプ電
極１０４ａと外側ポンプ電極１０４ｂ間に一定のポンプ
電圧Ｖｐが印加され、これら両電極１０４ａ及び１０４
ｂ間に流れる電流を電流計１１０にて測定することによ
り、排気ガスの酸素濃度を計測するものである。

【００１０】このセンサは一定のポンプ電圧Ｖｐを印加
しているため、例えば、図１８に示すように、酸素濃度
が大きくなると、酸素ポンプ１０８のインピーダンス分
だけ起電力分が小さくなり、実質的に制御する酸素濃度
が高くなり、精度よく酸素濃度を測定することができな
い（図中のＢ点はＡ点より酸素濃度が高い）。

【００１１】一方、実公平７−４５００４号公報には、
オペアンプを用いてポンプ電流に応じた電圧を作り、そ
の電圧を帰還抵抗を介してオペアンプに帰還すると共
に、電源に直列接続された抵抗に接続し、ポンプ電流が
増加すると抵抗での電圧が重畳されてポンプに印加され
るものが示されている。

【００１２】これは、図１９に示すような回路を構成
し、オペアンプＯＰの出力を帰還抵抗Ｒ１を介して大気
極（内側ポンプ電極１０４ａ）側の入力端子に帰還する
ことにより、出力点Ａにポンプ電流に対応する電圧を発
生させ、一方、抵抗Ｒ２を介して外側ポンプ電極１０４
ｂ側の入力端子に帰還させると共に、抵抗ｒを介して電
流を流すことにより、抵抗ｒに発生した電圧分を電源電
圧Ｖ_E に重畳するものである。

【００１３】電源に直列接続される抵抗を適当に設定す
ることにより、（実際のポンプインピーダンス×ポンプ
電流）に相当する電圧を、ポンプ電圧Ｖｐに重畳し、動
作点を図２０に示すように、限流特性の一定の平坦部に
設定し、精度よく酸素濃度を測定するというものであ
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
ガスセンサにおいては、測定ガス中の酸素濃度が大きく
なると、電圧降下分が大きくなり、起電力分よりはるか
に大きくなるため、正確に一定の起電力に相当する動作
点で作動させることが困難である。

【００１５】自動車のように排気ガスの温度が大きく変
化する場合にあっては、ガスセンサにヒータを設け、ヒ
ータに供給する電力を制御する機構が具備される場合が
あるが、この場合でも、酸素ポンプ１０８のインピーダ
ンスは僅かに変化し、ポンプ電流が大きくなると電圧降
下分の補正に大きな誤差が生じ、正確に高酸素濃度を測
定することが困難となる。

【００１６】特に、酸素ポンプ１０８を酸素濃度制御器
として利用する場合は、この問題は最も深刻である。酸
素ポンプ１０８として利用する場合、測定ガス中の酸素
濃度が大きくなって、ポンプ電流が大きくなり、測定空
間の酸素濃度が１０^-10 ａｔｍから１０^-3ａｔｍに大き
くなっても、その変化に基づく電流変化は、大きくなっ
たポンプ電流に比較すると数％程度にとどまるが、酸素
濃度制御器として利用する場合は、１０^-10 ａｔｍから
１０^-3ａｔｍへの変化という大きなものになってしまう
からである。

【００１７】また、実際には、（ポンプインピーダンス
×ポンプ電流）に相当する電圧をポンプ電圧に重畳させ
ることができず、精度がさらに低下するという問題があ
る。

【００１８】図２１はその様子を示したものである。本
比較試験では、酸素ポンプ１０８のインピーダンスはい
ずれも１００Ωになるようにガスセンサの温度が調整さ
れている。

【００１９】従来法（実公平７−４５００４号）では、
酸素ポンプ１０８のインピーダンスが１００Ωであるこ
とから、補正電圧はこの（１００Ω×ポンプ電流）が理
想であるが、実際はその１／２の（５０Ω×ポンプ電
流）しか補正できなかった。

【００２０】これは、発振によるものであり、（５０Ω
×ポンプ電流）以上では、制御に発振現象が生じ、制御
不能であった。

【００２１】実公平７−４５００４号では、酸素ポンプ
のインピーダンス測定のために、電源に交流分（５００
〜１００ｋＨｚ）を重畳させ、この交流電圧で酸素ポン
プのインピーダンスを測定するが、交流分が正帰還され
るため、発振が起こり易いのを、オペアンプＯＰの出力
をローパスフィルタを介して正帰還することにより、交
流分をカットし、直流分（電圧降下補正用）のみを正帰
還し、電圧降下分をポンプ電圧Ｖｐに重畳している。実
験では交流分の周波数を１０ｋＨｚ、ローパスフィルタ
のカットオフ周波数を１ｋＨｚとした。交流分の信号に
基づくヒータの制御は行っていない。

【００２２】直流成分による発振現象は、実験によれ
ば、５０Ｈｚ以下の非常に低い周波数で起こっており、
数１００Ｈｚ以上の周波数をカットするローパスフィル
タでは直流分の発振の起こり易さの問題は依然として残
る。

【００２３】また、この方式では、ローパスフィルタあ
るいはローパスフィルタ＋ＣＲフィルタという電気回路
が必要であり、簡素で十分な効果をもつ方式が望まれて
いた。

【００２４】一方、精度のよい酸素ポンプを利用した全
領域型の酸素センサとしては、図２２に示すように、ポ
ンプセル１２０とセンサセル１２２により内部空間１２
４を作り、内部空間１２４と測定ガス雰囲気を拡散律速
部１２６を介して連通するものが広く知られている。

【００２５】また、結合酸素をもつガス（例えばＮＯ
ｘ）を測定するにあたり、ガス中の酸素濃度を酸素ポン
プにより一定の低いレベルに下げた後、次いで、酸素濃
度を更に低下させＮＯｘを分解し、分解時に発生した酸
素を酸素ポンプにて測定することにより、ＮＯｘを測定
するセンサが知られている。

【００２６】このセンサは、酸素ポンプによる酸素濃度
制御器を備え、酸素濃度制御器で一定の低い酸素濃度に
制御するところから、この酸素濃度制御器には酸素セン
サ以上の精度が要求される。

【００２７】全領域センサでは、酸素濃度が低い領域で
は、ポンプ電流が小さく、ポンプインピーダンスによる
電圧降下分による精度の低下が少ない。一方、酸素濃度
が高い領域で（例えば数％）、電圧降下分の影響が大き
くなり精度が低下するものの、測定する酸素濃度が数％
（数万ｐｐｍ）で、誤差が数百ｐｐｍあったとしても、
大きな問題とはならない。

【００２８】しかし、例えば、ＮＯｘセンサのように、
せいぜい数千ｐｐｍの濃度を測定する場合にあっては、
数百ｐｐｍの酸素濃度の変化は大きな誤差要因となり、
この種のガスセンサの酸素濃度制御器には高い制御精度
が要求される。

【００２９】図２２に示すように、測定電極１２８と基
準電極１３０間の起電力に基づいて酸素濃度を制御する
ものは、測定電極１２８と基準電極１３０間に発生した
両端電圧を一定に保つように、酸素ポンプ１３２に印加
するポンプ電圧（直流電圧）Ｖｐをフィードバック制御
するようにしており、精度は高いものの、制御系に発振
現象が発生するという欠点がある。

【００３０】即ち、上記フィードバック制御は、一般
に、測定電極１２８と基準電極１３０間に発生する起電
力と目標とする比較電圧を比較器により比較し、比較器
によって生じた差を増幅し、目標値との差の増幅電圧を
作り、その増幅電圧が酸素ポンプ１３２に印加されるよ
うになっている。

【００３１】しかしながら、増幅器のゲインを大きく設
定しすぎると、フィードバック制御に発振が起こるとい
う欠点がある。

【００３２】これは、測定電極１２８と内部空間１２４
に接するポンプ電極１３４に幾何学的寸法があるためで
あり、例えば、測定電極１２８部分の酸素濃度が目標値
より低い場合、ポンプ電圧Ｖｐが高まるようにフィード
バック制御される。ポンプ電圧Ｖｐが高くなり、内部空
間１２４の酸素が汲み出され、内部空間１２４の酸素濃
度は徐々に低下するが、測定空間にその低下が伝わるの
が前記幾何学的寸法の存在により遅れ、内部空間１２４
の酸素濃度は目標値より下がってしまう。そして、低い
酸素濃度を少し遅れて測定電極１２８が検知し、今度は
ポンプ電圧Ｖｐが下がるようにフィードバックされる。

【００３３】この場合も、内部空間１２４の酸素分圧は
徐々に高くなるが、幾何学的寸法により測定電極１２８
が検知したときには既に内部空間１２４の酸素濃度が下
がりすぎるという現象が起こり、結果としてフィードバ
ック制御回路は発振する。

【００３４】本発明はこのような課題を考慮してなされ
たものであり、例えば酸素ポンプを用いた場合におい
て、酸素ポンプへの制御電圧のフィードバック制御系の
発振現象を有効に解消することができ、しかも、酸素ポ
ンプのインピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収で
き、酸素濃度を精度よく検出することができるガスセン
サ及びガス濃度制御器を提供することを目的とする。

【００３５】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明に
係るガスセンサは、固体電解質からなる基体にて囲ま
れ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基
体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極
及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体
と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制
御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段
と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガス
が導入される第２の空間と、前記基体における前記第２
の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段に
おける前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手
段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを
調整する第１の制御電圧調整手段と、前記ガスポンプ手
段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ
手段に流れる電流を検出し、その電流値を前記第１の制
御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映さ
せる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調
整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制
手段とを設けて構成する。

【００３６】これにより、まず、被測定ガスが第１の空
間に導入され、そのときのガスポンプ手段における内側
電極と第２の空間側に形成された基準電極との間の両端
電圧が測定手段によって測定される。この測定電圧は、
第１の制御電圧調整手段に供給される。第１の制御電圧
調整手段は、上記測定電圧に基づいて上記ガスポンプ手
段に供給すべき制御電圧のレベルを調整する。ガスポン
プ手段は、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、
所定のガス成分を上記制御電圧のレベルに応じた量ほど
汲み出す。上記レベル調整された制御電圧のガスポンプ
手段への供給によって、第１の空間における上記所定の
ガス成分の濃度は、所定レベルにフィードバック制御さ
れることとなる。

【００３７】この場合、制御電圧のレベル調整に利用さ
れる測定手段での測定電圧は、ガスポンプ手段における
内側電極と第２の空間における基準電極との間の両端電
圧としている。そのため、ガスポンプ手段による上記所
定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内に
おける上記ガス成分の濃度が変化すると、ガスポンプ手
段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れ
なく変化するため、上記フィードバック制御での発振現
象は抑制される。

【００３８】上記ガスポンプ手段による所定のガス成分
の汲み出しの際に、該ガスポンプに電流が流れることか
ら、ガスポンプのインピーダンスによる電圧降下分が制
御電圧のレベル調整における誤差として現れることとな
るが、この発明においては、第２の制御電圧調整手段に
おいて、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その
電流値を第１の制御電圧調整手段でのレベル調整に反映
させるようにしているため、上記誤差が有効に吸収さ
れ、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御を精度
よく行わせることが可能となり、第１の空間に導入され
た被測定ガスのうち、上記所定のガス成分の濃度を高精
度に検出することができる。

【００３９】ところで、第１の制御電圧調整手段による
調整動作によって、制御電圧が例えばステップ状に変化
した場合、ガスポンプ手段に瞬間的に大電流が流れ、こ
れにより、第２の制御電圧調整手段においてスパイク状
のノイズが発生する場合がある。この第２の制御電圧調
整手段を正帰還形の調整回路として構成した場合、上記
スパイク状のノイズによって発振が生じるおそれがあ
る。

【００４０】しかし、本発明においては、第２の制御電
圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク
抑制手段を設けていることから、上記スパイク状のノイ
ズを有効に抑制することができ、第２の制御電圧調整手
段での発振を防止することができる。これは、第１の制
御電圧調整手段での制御電圧に対する調整の高精度化に
つながり、第１の空間に導入された被測定ガスにおける
上記所定のガス成分の濃度を精度よく測定することが可
能となる。

【００４１】そして、上記構成において、前記第１の制
御電圧調整手段に、前記両端電圧と比較電圧との偏差を
とる比較手段を設け、該比較手段にて得られた偏差に基
づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしてもよ
い（請求項２記載の発明）。この場合、上記両端電圧が
上記比較電圧に収束されるように上記制御電圧がフィー
ドバック制御されることとなる。

【００４２】また、上記構成において、前記第２の制御
電圧調整手段として、前記ガスポンプ手段による前記ガ
ス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電
流を検出して電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧
を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる
増幅器を設けるようにしてもよい（請求項３記載の発
明）。これにより、前記ガスポンプ手段による前記所定
のガス成分の汲み出しの際に発生する電流が抵抗に流れ
ることによって、該抵抗に電圧降下が生じ、この電圧降
下分の電圧が増幅器において所定のゲインにて増幅され
て前記第１の制御電圧調整手段における比較電圧に重畳
されることとなる。即ち、ガスポンプ手段のインピーダ
ンスによる電圧降下分が第１の制御電圧調整手段での制
御電圧に対する調整に反映されることとなり、ガスポン
プ手段のインピーダンスに基づく誤差が有効に吸収さ
れ、精度よくフィードバック制御を行わせることが可能
となる。

【００４３】一方、前記スパイク抑制手段としては、前
記抵抗の両端に接続される容量を設けるようにしてもよ
い（請求項４記載の発明）。この場合、前記抵抗と容量
との時定数によって、フィードバック制御系に比例積分
動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、前
記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク状のノイ
ズは有効に抑制されることとなる。

【００４４】前記スパイク抑制手段としては、前記構成
のほかに、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を
設けるようにしてもよいし（請求項５記載の発明）、前
記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される容
量を設けるようにしてもよい（請求項６記載の発明）。

【００４５】なお、上記請求項１〜６記載の発明におい
て、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、
前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス
拡散律速部を設けるようにしてもよい（請求項７記載の
発明）。また、前記第１の空間内の被測定ガスが導入さ
れる第３の空間と、前記被測定ガスの前記第３の空間へ
の導入経路に設けられ、かつ前記被測定ガスに対して所
定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、前記
第３の空間内に配置され、前記被測定ガスから前記所定
のガス成分を分解発生させる被測定ガス分解手段と、前
記被測定ガス分解手段により分解発生した前記所定のガ
ス成分を検出するガス成分検出手段を設けるようにして
もよく（請求項８記載の発明）、前記第３の空間内に前
記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、該ガ
ス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出
するガス成分検出手段を設けるようにしてもよい（請求
項９記載の発明）。この場合、被測定ガスに含まれる所
定のガス成分の量を効果的に制御することができ、被測
定ガス中の例えば酸化物や可燃ガスの量を高精度に測定
することができる。

【００４６】次に、請求項１０記載の本発明に係るガス
濃度制御器は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、か
つ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記被測定ガ
スの前記第１の空間への導入経路に設けられ、前記被測
定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速
部と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成さ
れた内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれ
た前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出
すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガス
ポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、か
つ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体におけ
る前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポ
ンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定
する測定手段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧
のレベルを調整する第１の制御電圧調整手段と、前記ガ
スポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該
ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その電流値を前
記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調
整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の
制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するス
パイク抑制手段とを設けて構成する。

【００４７】これにより、まず、被測定ガスがガス拡散
律速部を通じて第１の空間に導入され、そのときのガス
ポンプ手段における内側電極と第２の空間側に形成され
た基準電極との間の両端電圧が測定手段によって測定さ
れる。この測定電圧は、第１の制御電圧調整手段に供給
される。第１の制御電圧調整手段は、上記測定電圧に基
づいて上記ガスポンプ手段に供給すべき制御電圧のレベ
ルを調整する。ガスポンプ手段は、第１の空間に導入さ
れた被測定ガスのうち、所定のガス成分を上記制御電圧
のレベルに応じた量ほど汲み出す。上記レベル調整され
た制御電圧のガスポンプ手段への供給によって、第１の
空間における上記所定のガス成分の濃度は、所定レベル
にフィードバック制御されることとなる。

【００４８】この場合、制御電圧のレベル調整に利用さ
れる測定手段での測定電圧を、ガスポンプ手段における
内側電極と第２の空間における基準電極との間の両端電
圧としている。そのため、ガスポンプ手段による上記所
定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内に
おける上記ガス成分の濃度が変化すると、ガスポンプ手
段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れ
なく変化するため、上記フィードバック制御での発振現
象は抑制される。

【００４９】上記ガスポンプ手段による所定のガス成分
の汲み出しの際に、該ガスポンプに電流が流れることか
ら、ガスポンプのインピーダンスによる電圧降下分が制
御電圧のレベル調整における誤差として現れることとな
るが、この発明においては、第２の制御電圧調整手段に
おいて、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その
電流値を第１の制御電圧調整手段でのレベル調整に反映
させるようにしているため、上記誤差が有効に吸収さ
れ、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御を精度
よく行わせることが可能となり、第１の空間に導入され
た被測定ガスのうち、上記所定のガス成分の濃度を高精
度に検出することができる。

【００５０】ところで、第１の制御電圧調整手段による
調整動作によって、制御電圧が例えばステップ状に変化
した場合、ガスポンプ手段に瞬間的に大電流が流れ、こ
れにより、第２の制御電圧調整手段においてスパイク状
のノイズが発生する場合がある。この第２の制御電圧調
整手段を正帰還形の調整回路として構成した場合、上記
スパイク状のノイズによって発振が生じるおそれがあ
る。

【００５１】しかし、本発明においては、第２の制御電
圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク
抑制手段を設けていることから、上記スパイク状のノイ
ズを有効に抑制することができ、第２の制御電圧調整手
段での発振を防止することができる。これは、第１の制
御電圧調整手段での制御電圧に対する調整の高精度化に
つながり、第１の空間に導入された被測定ガスにおける
上記所定のガス成分の濃度を精度よく測定することが可
能となる。

【００５２】そして、上記構成において、前記第１の制
御電圧調整手段に、前記両端電圧と比較電圧との偏差を
とる比較手段を設け、該比較手段にて得られた偏差に基
づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしてもよ
い（請求項１１記載の発明）。この場合、上記両端電圧
が上記比較電圧に収束されるように上記制御電圧がフィ
ードバック制御されることとなる。

【００５３】また、上記構成において、前記第２の制御
電圧調整手段として、前記ガスポンプ手段による前記ガ
ス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電
流を検出して電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧
を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる
増幅器を設けるようにしてもよい（請求項１２記載の発
明）。これにより、前記ガスポンプ手段による前記所定
のガス成分の汲み出しの際に発生する電流が抵抗に流れ
ることによって、該抵抗に電圧降下が生じ、この電圧降
下分の電圧が増幅器において所定のゲインにて増幅され
て前記第１の制御電圧調整手段における比較電圧に重畳
されることとなる。即ち、ガスポンプ手段のインピーダ
ンスによる電圧降下分が第１の制御電圧調整手段での制
御電圧に対する調整に反映されることとなり、ガスポン
プ手段のインピーダンスに基づく誤差が有効に吸収さ
れ、精度よくフィードバック制御を行わせることが可能
となる。

【００５４】一方、前記スパイク抑制手段としては、前
記抵抗の両端に接続される容量を設けるようにしてもよ
い（請求項１３記載の発明）。この場合、前記抵抗と容
量との時定数によって、フィードバック制御系に比例積
分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、
前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク状のノ
イズは有効に抑制されることとなる。

【００５５】前記スパイク抑制手段としては、前記構成
のほかに、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を
設けるようにしてもよいし（請求項１４記載の発明）、
前記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される
容量を設けるようにしてもよい（請求項１５記載の発
明）。

【００５６】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスセンサを
例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ，Ｎ
Ｏ₂ ，ＳＯ₂ 、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，Ｃ
ｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用した２
つの実施の形態例（以下、単に第１の実施の形態に係る
ガスセンサ及び第２の実施の形態に係るガスセンサと記
す）を図１〜図１６を参照しながら説明する。

【００５７】まず、本実施の形態に係るガスセンサを説
明する前に、本発明に係るガスセンサを着想するに至る
までに作製された一つのガスセンサ（以下、便宜的に比
較例に係るガスセンサと記す）の構成について説明す
る。

【００５８】この比較例に係るガスセンサは、図１に示
すように、ＺｒＯ₂ 等の酸素イオン伝導性固体電解質を
用いたセラミックからなる例えば６枚の固体電解質層１
０ａ〜１０ｆが積層されて構成され、下から１層目及び
２層目が第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂとさ
れ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペース
層１０ｃ及び１０ｅとされ、下から４層目及び６層目が
第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆとされて
いる。

【００５９】具体的には、第２の基板層１０ｂ上に第１
のスペース層１０ｃが積層され、更に、この第１のスペ
ース層１０ｃ上に第１の固体電解質層１０ｄ、第２のス
ペース層１０ｅ及び第２の固体電解質層１０ｆが順次積
層されている。第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂ
間には、酸素イオンの伝導性を高めるためのヒータ１２
が絶縁膜１４を介して埋め込まれている。

【００６０】第２の基板層１０ｂと第１の固体電解質層
１０ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、
例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間）１６
が、第１の固体電解質層１０ｄの下面、第２の基板層１
０ｂの上面及び第１のスペース層１０ｃの側面によって
区画、形成されている。

【００６１】第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１
０ｆ間には、被測定ガスが導入される空間（ガス導入空
間）１８が、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第１の
固体電解質層１０ｄの上面及び第２のスペース層１０ｅ
の側面によって区画、形成され、最上層の第２の固体電
解質層１０ｆには、上記ガス導入空間１８に連通する拡
散律速部２０が形成されている。この拡散律速部２０
は、ガス導入空間１８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ものであり、例えば、被測定
ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面
積を有した小孔からなる通路として形成することができ
る。

【００６２】上記第２の固体電解質層１０ｆの下面のう
ち、上記ガス導入空間１８を形づくる下面には、後述す
る酸素ポンプ２２を構成するための一方の電極（内側ポ
ンプ電極２４ａ）が形成され、上記第２の固体電解質層
１０ｆの上面には、酸素ポンプ２２を構成するための他
方の電極（外側ポンプ電極２４ｂ）が形成されている。

【００６３】また、第１の固体電解質層１０ｄの下面の
うち、上記基準ガス導入空間１６を形づくる下面には、
被測定ガスの酸素分圧を測定するための基準電極２６が
形成されている。

【００６４】この場合、基準ガス導入空間１６に導入さ
れる大気の酸素分圧と、ガス導入空間１８に導入される
被測定ガスの酸素分圧との差に基づいて酸素濃淡電池電
力が生じる。この電力は、基準ガス導入空間１６とガス
導入空間の電位差Ｖによって表される。この電位差Ｖは
以下のネルンストの式により求めることができる。

【００６５】 Ｖ＝ＲＴ／４Ｆ・ｌｎ（Ｐ１（Ｏ₂ ）／Ｐ０（Ｏ₂ ）） Ｒ：気体定数 Ｔ：絶対温度 Ｆ：ファラデー数 Ｐ１（Ｏ₂ ）：ガス導入空間内の酸素分圧 Ｐ０（Ｏ₂ ）：基準ガスの酸素分圧 従って、上記ネルンストの式に基づく電位差Ｖを電位差
計２８によって測定することで、ガス導入空間１８内の
酸素分圧を測定することができる。

【００６６】また、第２の固体電解質層１０ｆの内外に
形成された内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２
４ｂは、ガス導入空間１８内に導入された被測定ガス中
の酸素分圧を所定値に設定する酸素ポンプ２２を構成す
る。つまり、ＺｒＯ₂ 等の酸素イオン伝導性を備えた固
体電解質層は、電圧をかけると酸素を汲み出すポンプと
して働くからであり、上記両ポンプ電極２４ａ及び２４
ｂは、固体電解質層にてポンプ動作を行わせるための電
圧印加手段を構成する。

【００６７】一般には、上記内側ポンプ電極２４ａ及び
外側ポンプ電極２４ｂ間に、上記電位差計２８によって
検出された電位差Ｖに基づいて設定されたポンプ電圧Ｖ
ｐが可変電源３０により印加されるようになっており、
上記酸素ポンプ２２は、上記ポンプ電圧Ｖｐの印加によ
って、ガス導入空間１８に対して酸素の汲み出し又は汲
み入れを行い、これによって、上記ガス導入空間１８内
の酸素分圧が所定値に設定されるようになっている。

【００６８】そして、上記比較例に係るガスセンサは、
内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧を測定
し、この測定電圧と基準電圧との差分をとって、その差
分電圧によって上記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構
成している。

【００６９】具体的には、上記比較例に係るガスセンサ
は、図２に示すように、上記基準電極２６と内側ポンプ
電極２４ａとの間の両端電圧を基準電圧Ｖｂと比較して
その差分を所定のゲインにて増幅して出力する比較増幅
器３２を設け、該比較増幅器３２からの出力電圧（差分
電圧）を酸素ポンプ２２へのポンプ電圧Ｖｐとして内側
ポンプ電極２４ａと外側ポンプ電極２４ｂ間に印加する
ように配線接続されている。

【００７０】この場合、酸素ポンプ２２による酸素の汲
み出し量が変化して、ガス導入空間１８内における酸素
の濃度が変化すると、酸素ポンプ２２おける内側ポンプ
電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧が時間遅れなく
変化する（リアルタイムで変化する）ため、上記フィー
ドバック制御での発振現象を有効に抑えることができ
る。

【００７１】なお、上記フィードバック制御系において
は、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧
が上記基準電圧Ｖｂと同じレベルに収束されるように上
記ポンプ電圧Ｖｐ（出力電圧）がフィードバック制御さ
れることとなる。

【００７２】また、上記比較例に係るガスセンサにおい
ては、上記構成に加えて、内側ポンプ電極２４ａとＧＮ
Ｄ間に抵抗Ｒが接続され、抵抗Ｒの一端と基準電圧Ｖｂ
の発生源（電源４０）との間に増幅器４２（オペアン
プ）が挿入接続されて構成されている。具体的には、増
幅器４２の非反転端子に抵抗Ｒの上記一端が接続され、
増幅器４２の反転端子は接地とされ、増幅器４２の出力
端子は、電源４０の負極に接続されて構成されている。

【００７３】つまり、この比較例に係るガスセンサにお
いては、酸素ポンプ２２による酸素の汲み出しによって
内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に流
れる電流が抵抗Ｒでの電圧降下によってその電流値に応
じた電圧に変換されて、増幅器４２の非反転端子に印加
されるように配線接続されるものである。

【００７４】通常、酸素ポンプ２２による酸素の汲み出
しの際に、該酸素ポンプ２２に電流（ポンプ電流）が流
れることから、酸素ポンプ２２のインピーダンスによる
電圧降下分がポンプ電圧Ｖｐのレベル調整における誤差
として現れることとなる。しかし、この比較例に係るガ
スセンサにおいては、酸素ポンプ２２に流れるポンプ電
流を抵抗Ｒにて電圧に変換し、該電圧を増幅器４２にて
所定のゲインで増幅して補正電圧として電源４０に重畳
させるようにしている。つまり、内側ポンプ電極２４ａ
と基準電極２６間の電圧は、内側ポンプ電極２４ａの界
面抵抗（インピーダンス）の電圧降下分が重畳されるの
みであり、その電圧降下分はかなり下がる。従って、電
圧降下分の補正は僅かで済み、その分、精度が向上す
る。換言すれば、酸素ポンプ２２のインピーダンスによ
る電圧降下分が補正電圧として基準電圧に反映（重畳）
することとなり、これによって、ポンプ電圧Ｖｐに対す
る酸素ポンプ２２のインピーダンスによる誤差が有効に
吸収され、ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御
を精度よく行わせることが可能となる。これは、ガス導
入空間１８での酸素濃度を高精度に検出することができ
ることにつながる。

【００７５】ところで、上記比較例に係るガスセンサに
おいて、酸素ポンプ２２における外側ポンプ電極２４ｂ
と内側ポンプ電極２４ａ間に流れるポンプ電流が大きく
なって、（基準電圧＋補正電圧）が高くなると、比較増
幅器３２の出力電圧が高くなり、結果的にポンプ電流が
増大するという正帰還となって、発振しやすいという状
態となる。実際には、（酸素ポンプ２２のインピーダン
ス×ポンプ電流）に相当する電圧を補正をすることがで
きないことが判明した。

【００７６】図３の特性図はその様子を示したものであ
り、本実験では、酸素ポンプ２２のインピーダンスが、
１００Ωになるように、酸素ポンプ２２の温度が調整さ
れている。このときの内側ポンプ電極２４ａと基準電極
２６間のインピーダンスは３５Ωであり、補正電圧の理
想値は（３５Ω×ポンプ電流）であるが、発振により、
実際はその１／２の（１７．５Ω×ポンプ電流）しか補
正できなかった。

【００７７】従って、酸素ポンプ２２のインピーダンス
が使用過程において増加すると、動作点が限流特性の平
坦部から外れてしまう可能性がある。

【００７８】本発明は、上記のような課題を解消するた
めになされたものであり、簡素な電子部品で、インピー
ダンスの測定手段、更にそれに基づくヒータ制御、ある
いは補正電圧の制御手段等を用いなくても、（酸素ポン
プ２２のインピーダンス×ポンプ電流）に見合った分、
あるいはそれ以上の補正をも可能にし、使用過程におい
て酸素ポンプ２２のインピーダンスに増加があっても、
限流特性の平坦部で動作ができるものである。

【００７９】発振現象は、単に正帰還によることのみな
らず、酸素ポンプ２２のインピーダンスは図４のように
構成され、容量成分を多く含んでいることによる。即
ち、酸素ポンプ２２のインピーダンスは、抵抗Ｒ１と容
量Ｃ１との並列接続による外側ポンプ電極２４ｂと第２
の固体電解質層１０ｆとの界面抵抗Ｚ１と、抵抗Ｒ２と
容量Ｃ２との並列接続による第２の固体電解質層１０ｆ
におけるＺｒＯ₂ 粒子間の粒界抵抗Ｚ２と、抵抗Ｒによ
る第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ₂ 粒子抵抗
Ｚ３と、抵抗Ｒ４と容量Ｃ４との並列接続による内側ポ
ンプ電極２４ａと第２の固体電解質層１０ｆとの界面抵
抗Ｚ４とが直列に接続された回路と等価であり、容量成
分を多く含んでいる。

【００８０】従って、図５に示すように、例えばポンプ
電圧がステップ状に急激に上昇すると、ポンプ電流は、
瞬時的に容量Ｃ１及び容量Ｃ２を通じて抵抗Ｒ３及び容
量Ｃ４を流れて、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ４が無
視されるため、大きな電流が流れ、ポンプ電圧が維持さ
れていれば、時間経過と共に、容量Ｃ１、容量Ｃ２及び
容量Ｃ４が充電され、結局、抵抗Ｒ１＋抵抗Ｒ２＋抵抗
Ｒ３＋抵抗Ｒ４で定まる電流値に落ち着く。

【００８１】つまり、基準電圧Ｖｂに重畳される補正電
圧は、瞬時的に大きな電圧となり、電流の落ち着きと共
に、ある一定値に落ち着く。このポンプ電流のスパイ
ク、ひいては補正電圧のスパイクにより、増幅器４２で
の正帰還電圧が急激に増大し、その結果、発振に至るお
それがある。

【００８２】本発明では、上記ポンプ電流のスパイクを
抑えることによって、発振現象の発生を抑制し、補正可
能領域（補正可能なダイナミックレンジ）を拡大し、併
せて使用過程における酸素ポンプ２２のインピーダンス
の増大による精度の低下をも改善するものである。

【００８３】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
について図６〜図１１を参照しながら説明する。なお、
図１と対応するものについては同符号を記す。

【００８４】この第１の実施の形態に係るガスセンサ
は、上記比較例に係るガスセンサとほぼ同じ構成を有す
るが、以下の点で異なる。即ち、ポンプ電流検出用の抵
抗Ｒｉが比較増幅器３２の出力端と酸素ポンプ２２の外
側ポンプ電極２４ｂとの間に挿入接続され、抵抗Ｒｉの
両端がコンデンサＣで短絡され、更に該コンデンサＣの
一方の電極が差動増幅器４４の非反転端子に接続され、
他方の電極が差動増幅器４４の反転端子に接続されてい
るという点で上記比較例に係るガスセンサと異なる。

【００８５】この実施の形態に係るガスセンサにおいて
は、上記抵抗ＲｉとコンデンサＣとの時定数によって、
ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御系に比例積
分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、
上記差動増幅器４４の出力電圧、即ち補正電圧に発生す
るスパイク状のノイズは有効に抑制されることとなる。

【００８６】例えば、ポンプ電流が高レベルに立ち上が
った場合、その立ち上がり部分の電流によってコンデン
サＣへの充電が行われるが、本例の場合においては、ま
ず、ポンプ電流のスパイク状の部分によってコンデンサ
Ｃの充電が行われるため、後段の差動増幅器４４に印加
される電圧波形は、ほぼ矩形状の信号波形となる。つま
り、上記コンデンサＣによって、ポンプ電流のスパイク
状のノイズが抑圧され、結果として基準電圧に重畳され
る補正電圧へのスパイク状のノイズも抑圧されることと
なる。これは、比較増幅器３２によるポンプ電圧Ｖｐに
対する調整の高精度化につながり、ガス導入空間１８に
導入された被測定ガスの酸素濃度を精度よく測定するこ
とが可能となる。

【００８７】ここで、本実施の形態に係るガスセンサ
（実施例）と上記比較例に係るガスセンサ（比較例）の
限流特性に関する一つの実験について説明する。この実
験による比較例の限流特性を図７に、実施例の限流特性
を図８に示す。この実験においては、酸素ポンプ２２の
インピーダンスが１００Ωになるように加熱して行っ
た。このとき、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間
のインピーダンスは３５Ωであり、補正電圧の理想値は
（３５Ω×ポンプ電流）である。実験を分かり易くする
ため、差動増幅器４４の増幅度を１とした。

【００８８】比較例の場合は、抵抗Ｒの抵抗値を１８Ω
以上とすると発振するため、理想値３５Ωの１／２の１
７．５Ωとした。従って、補正量は理想値の１／２にな
るが、これでも、従来例に係るガスセンサ（図２１の特
性図参照）と比較すると大きく改善されていることが理
解できる。これは、従来例に係るガスセンサでは、酸素
ポンプ２２のインピーダンスＺｐの全てを補正する必要
があるのに対し、比較例及び実施例では、内側ポンプ電
極２４ａと基準電極２６間の電圧に基づくポンプ電圧Ｖ
ｐの制御のため、次式のＺ１，Ｚ２，Ｚ３が無視できる
こととなり、補正すべき電圧降下分が大きく低減された
効果によるからである。

【００８９】Ｚｐ＝Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４ Ｚ１：外側ポンプ電極２４ｂと第２の固体電解質層１０
ｆとの界面抵抗 Ｚ２：第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ₂ 粒子
間の界面抵抗 Ｚ３：第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ₂ 粒子
抵抗 Ｚ４：内側ポンプ電極２４ａと第２の固体電解質層１０
ｆとの界面抵抗 コンデンサＣを付けた場合（コンデンサＣの容量は３０
０μＦ）、ポンプ電流検出用抵抗Ｒｉの抵抗値を３５Ω
に設定しても、発振は起こらなかったため、３５Ωと設
定したが、理想値３５Ωに対して、約５０％増の５０Ω
近くが発振発生の限界点であることを確認した。

【００９０】図８から明らかなように、コンデンサＣを
付けた場合は理想の補正ができ、酸素濃度が大きく変化
しても、動作点を同じ起電力分の点で、動作させること
ができる。

【００９１】図９〜図１１の特性図は、２．０Ｌの直列
４気筒エンジンの実車にて３０，０００ｋｍの実車走行
をした後の補正の様子を示したものであり、図９は従来
例に係るガスセンサの場合を示し、図１０は比較例に係
るガスセンサ（比較例）の場合を示し、図１１は本実施
の形態に係るガスセンサ（実施例）の場合を示す。ま
た、図９において、二点鎖線は走行開始段階（初期段
階）の特性を示し、実線は３０，０００ｋｍ走行した後
の特性を示す。図１０及び図１１において、細い実線は
走行開始段階（初期段階）の特性を示し、太い実線は３
０，０００ｋｍ走行した後の特性を示す。

【００９２】図９〜図１１の特性図から、従来例に係る
ガスセンサでは２０％の酸素では全く補正が効かず、５
％でようやく平坦部の動作点になるのに対し、実施例で
は、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧に基
づくポンプ電圧Ｖｐの制御と、コンデンサＣによる発振
防止に基づく補正電圧の理想値化の相乗効果により、被
測定ガス中の酸素濃度がほぼ大気の２０％でも、依然と
して平坦部の起電力分３２０ｍＶ近傍での動作が可能で
あり、本実施の形態に係るガスセンサの補正の有用性が
理解できる。

【００９３】また、一般に、使用過程における酸素ポン
プ２２のインピーダンスの増加は、外側ポンプ電極２４
ｂの界面抵抗の増加が主原因である。本実施の形態に係
るガスセンサによれば、外側ポンプ電極２４ｂを無視し
た補正であるのに加え、理想値に近い補正ができるた
め、その相乗効果により、使用過程における酸素ポンプ
２２のインピーダンスの増大があっても、簡素な構成
で、高い精度を維持できる。

【００９４】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
のいくつかの変形例について図１２〜図１４を参照しな
がら説明する。なお、図６と対応するものについては同
符号を記して、その重複説明を省略する。

【００９５】まず、第１の変形例に係るガスセンサは、
図１２に示すように、図６に示す本実施の形態に係るガ
スセンサとほぼ同じ構成を有するが、コンデンサＣが、
差動増幅器４４の出力端と接地間に接続されている点で
異なる。この第１の変形例に係るガスセンサにおいて
も、上記実施の形態に係るガスセンサと同様の効果が得
られる。この場合、差動増幅器４４の出力インピーダン
スは一般的に非常に低いため、十分なスパイク除去効果
を出すためには、コンデンサＣの容量を大きく設定する
必要があり、以下に示すように第２の変形例及び第３の
変形例の構成を採用することが望ましい。

【００９６】即ち、第２の変形例に係るガスセンサにお
いては、図１３に示すように、差動増幅器４４の出力端
と基準電圧Ｖｂの発生源（電源４０）との間に抵抗Ｒを
挿入接続し、該抵抗Ｒの電源４０側端と接地間にコンデ
ンサＣを接続する。

【００９７】この場合、ＣＲで構成される時定数は、コ
ンデンサＣなしで発振したときの発振周期の１／５以上
にすると効果的である。上記実験と同じサンプルで確認
したところ、発振周期５０ｍｓｅｃに対して、抵抗Ｒを
１０ｋΩ、コンデンサＣを１μＦにしたとき、即ち、時
定数１０ｍｓｅｃで発振が停止した。

【００９８】また、第３の変形例に係るガスセンサにお
いては、図１４に示すように、差動増幅器４４の非反転
入力端に直列抵抗Ｒを接続し、その後段における上記差
動増幅器４４の非反転入力端子と反転入力端子間にコン
デンサＣを接続する。この場合のＣＲで構成される時定
数は、上記第２の変形例に係るガスセンサの場合とほぼ
同じである。

【００９９】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
について図１５を参照しながら説明する。

【０１００】この第２の実施の形態に係るガスセンサ
は、ＺｒＯ₂ 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いた
セラミックからなる例えば６枚の固体電解質層１０ａ〜
１０ｆが積層されて構成されている点と、これら６枚の
固体電解質層１０ａ〜１０ｆが長尺の板状体形状に形成
されている点で上記第１の実施の形態に係るガスセンサ
とほぼ同じであるが、第１及び第２の固体電解質層１０
ｄ及び１０ｆ間に第２のスペース層１０ｅが挟設される
と共に、第１及び第２の拡散律速部５０及び５２が挟設
されている点で異なる。

【０１０１】そして、第２の固体電解質層１０ｆの下
面、第１及び第２の拡散律速部５０及び５２の側面並び
に第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の
酸素分圧を調整するための第１室５４が区画、形成さ
れ、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第２の拡散律速
部５２の側面及び第２のスペース層１０ｅの側面並びに
第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の酸
化物、例えば窒素酸化物（ＮＯｘ）を測定するための第
２室５６が区画、形成される。上記第１室５４及び第２
室５６は、上記第２の拡散律速部５２を介して連通され
ている。

【０１０２】また、上記第１の固体電解質層１０ｄの上
面のうち、上記第２室５６を形づくる上面には、後述す
る第２の酸素ポンプ５８を構成するための一方の電極
（上側ポンプ電極６０ａ）が形成され、上記第１の固体
電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１６を
形づくる下面であって、かつ上記基準電極２６とは別の
箇所に第２の酸素ポンプ５８を構成するための他方の電
極（下側ポンプ電極６０ｂ）が形成されている。

【０１０３】ここで、上記第１及び第２の拡散律速部５
０及び５２は、第１室５４及び第２室５６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ものであ
り、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質
材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として
形成することができる。

【０１０４】このガスセンサにおいても、第１室５４に
おける内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ
間に、上記電位差計２８によって検出された電位差Ｖに
基づいて設定されたポンプ電圧Ｖｐが可変電源３０によ
り印加されるようになっており、上記酸素ポンプ２２
は、上記ポンプ電圧Ｖｐの印加によって、第１室５４に
対して酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、これによっ
て、上記第１室５４内の酸素分圧が所定値に設定される
ようになっている。即ち、このガスセンサは、第１室５
４、酸素ポンプ２２、基準電極２６及び基準ガス導入空
間１６にて構成される酸素濃度制御器６２を具備した構
成となっており、実質的な窒素酸化物の測定は、第２室
５６において行われることになる。

【０１０５】この第２の実施の形態に係るガスセンサの
測定原理を簡単に説明すると、酸素濃度制御器６２にお
ける酸素ポンプ２２によって第１室５４内の酸素濃度
が、ＮＯｘが分解されない程度に、例えば１０^-7ａｔｍ
になるように、ポンプ電圧Ｖｐが印加される。この１０
^-7ａｔｍでＮＯｘが分解されないようにするには、内側
ポンプ電極２４ａにＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡ
ｕとＰｔの合金を用いることで達成される。

【０１０６】第１室５４における酸素濃度の検出は、上
記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素ポ
ンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６
間の両端電圧を基準としており、この両端電圧が基準電
圧Ｖｂに近づくように、即ち、第１室の酸素濃度がほぼ
０となるように上記ポンプ電圧Ｖｐが制御されて酸素ポ
ンプ２２に印加されることになる。

【０１０７】これによって、第１室５４には一酸化窒素
（ＮＯ）が残る。第１室５４に残ったＮＯは第２の拡散
律速部５２を通って次の第２室５６に流れ込む。この第
２室５６では、導入されたＮＯをＮとＯに分解し、その
うち、酸素Ｏの濃度を計測して、間接的にＮＯの濃度を
求めるようにしている。ＮＯの分解を起こさせるには、
上側ポンプ電極６０ａに例えばＲｈ，Ｐｔ等のＮＯｘ還
元性を有する材料を用いることにより達成される。

【０１０８】この酸素Ｏの測定は、上側ポンプ電極６０
ａと下側ポンプ電極６０ｂとの間に流れる電流を計測す
ることにより行われる。具体的には、下側ポンプ電極６
０ｂと上側ポンプ電極６０ａ間にポンプ電源６４を第２
室５６から酸素Ｏ₂ を汲み出す方向に接続する。このと
き、第２室５６に酸素がなければ、上記両電極６０ａ及
び６０ｂ間での酸素の移動（酸素の汲み出し）は行われ
ないため、該両電極６０ａ及び６０ｂ間に電流は流れ
ず、第２室５６に酸素があれば、酸素の汲み出し動作に
よって上記両電極６０ａ及び６０ｂ間に電流が流れるこ
とになる。従って、ポンプ電源６４に直列に電流計６６
を挿入接続してその電流値を計測することにより、第２
室５６の酸素濃度を測定することができる。そして、こ
の電流値は、汲み出される酸素の量に比例することか
ら、この電流値からＮＯの量を定めることが可能とな
り、これは、同時にＮＯ₂ を測定でき得ることと同じで
ある。

【０１０９】つまり、この第２の実施の形態に係るガス
センサは、第１室５４で被測定ガス中の酸素濃度を低い
値で一定にし、第２室５６で触媒、又は電気分解で結合
酸素を分解し、分解時に発生した酸素を第２の酸素ポン
プ５８で汲み出し、その汲み出しの際に流れる電流を測
定することにより、結合酸素を有するガス成分の濃度を
測定するものである。

【０１１０】結合酸素を有するガス成分としてＮＯｘを
測定するときは、第２室５６内の触媒でＮＯｘを分解す
るのがよい。Ｈ₂ Ｏ，ＣＯ₂ を測定するときは電気分解
によるのがよい。

【０１１１】なお、ＨＣ等の可燃ガス成分を測定する場
合にあっては、以下のように行われる。まず、第１室５
４の酸素濃度を可燃ガス成分が燃焼しないレベル、例え
ば１０^-15 ａｔｍとなるようにポンプ電圧を印加し、第
２室５６では酸素が汲み入れられる方向にポンプ電源を
接続して、可燃ガス成分を燃焼させる。このとき、可燃
ガス成分が燃焼するのに要した酸素量、即ちポンプ電流
を測定することにより、可燃ガス成分の量を求めること
ができる。

【０１１２】そして、この第２の実施の形態に係るガス
センサにおいても、上記第１の実施の形態に係るガスセ
ンサと同様に、酸素濃度制御器６２における内側ポンプ
電極２４ａと基準電極２６間の電圧を測定し、この測定
電圧と基準電圧との差分をとって、その差分電圧によっ
て上記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構成している。

【０１１３】具体的には、この第２の実施の形態に係る
ガスセンサは、図１６に示すように、上記基準電極２６
と内側ポンプ電極２４ａとの間の両端電圧を基準電圧Ｖ
ｂと比較してその差分を所定のゲインにて増幅して出力
する比較増幅器３２を有し、該比較増幅器３２からの出
力電圧（差分電圧）を酸素ポンプ２２へのポンプ電圧Ｖ
ｐとして内側ポンプ電極２４ａと外側ポンプ電極２４ｂ
間に印加するように配線接続され、ポンプ電流検出用の
抵抗Ｒｉが比較増幅器３２の出力端と酸素ポンプ２２の
外側ポンプ電極２４ｂとの間に挿入接続され、上記ポン
プ電流検出用抵抗Ｒｉの両端がコンデンサＣで短絡さ
れ、更に該コンデンサＣの一方の電極が差動増幅器４４
の非反転端子に、他方の電極が差動増幅器４４の反転端
子に接続されて構成されている。

【０１１４】この第２の実施の形態に係るガスセンサに
おいても、比較増幅器３２の反転端子に印加される両端
電圧（測定電圧）を、酸素ポンプ２２における内側ポン
プ電極２４ａと基準ガス導入空間１６における基準電極
２６との間の両端電圧としているため、第１室５４内に
おける酸素濃度の変化が時間遅れなく、酸素ポンプ２２
の内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧の
変化として現れ、これにより、上記フィードバック制御
での発振現象を有効に抑えることができる。

【０１１５】また、上記ポンプ電流検出用の抵抗Ｒｉと
コンデンサＣとの時定数によって、ポンプ電圧Ｖｐに対
するフィードバック制御系に比例積分動作の位相補償回
路が挿入接続されたかたちとなり、上記差動増幅器４４
の出力電圧、即ち補正電圧に発生するスパイク状のノイ
ズは有効に抑制されることとなる。これは、比較増幅器
３２によるポンプ電圧Ｖｐに対する調整の高精度化につ
ながり、第１室５４に導入された被測定ガスの酸素濃度
を精度よく測定することが可能となる。

【０１１６】この第２の実施の形態に係るガスセンサに
おいては、上記第１の実施の形態に係るガスセンサの第
１の変形例、第２の変形例又は第３の変形例の構成を採
用することができる。

【０１１７】なお、この発明は上述の実施の形態に限ら
ず、この発明の要旨を逸脱することなく種々の構成を採
り得ることはもちろんである。

【０１１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明に係るガス
センサによれば、固体電解質からなる基体にて囲まれ、
かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基体に
おける前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び
外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前
記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧
を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、固
体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入
される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間
側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における
前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、
前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整す
る第１の制御電圧調整手段と、前記ガスポンプ手段によ
る前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に
流れる電流を検出し、その電流値を前記第１の制御電圧
調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第
２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調整手段
に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段と
を設けるようにしている。

【０１１９】このため、ガスポンプ手段への制御電圧の
フィードバック制御系の発振現象を有効に解消すること
ができ、しかも、ガスポンプ手段のインピーダンスによ
る電圧降下分の誤差を吸収でき、酸素濃度を精度よく検
出することができるという効果が達成される。

【０１２０】次に、本発明に係るガス濃度制御器によれ
ば、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガ
スが導入される第１の空間と、前記被測定ガスの前記第
１の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対
して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部と、前記
基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電
極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体
と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制
御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段
と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガス
が導入される第２の空間と、前記基体における前記第２
の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段に
おける前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手
段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを
調整する第１の制御電圧調整手段と、前記ガスポンプ手
段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ
手段に流れる電流を検出し、その電流値を前記第１の制
御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映さ
せる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調
整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制
手段とを設けるようにしている。

【０１２１】このため、ガスポンプ手段への制御電圧の
フィードバック制御系の発振現象を有効に解消すること
ができ、しかも、ガスポンプ手段のインピーダンスによ
る電圧降下分の誤差を吸収でき、酸素濃度を精度よく検
出することができるという効果が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るガスセンサを着想するに至るまで
に作製された１つのガスセンサ（以下、単に比較例に係
るガスセンサと記す）の概略構成を示す構成図である。

【図２】比較例に係るガスセンサの具体的構成を示す構
成図である。

【図３】比較例に係るガスセンサの限流特性を示す特性
図である。

【図４】酸素ポンプのインピーダンスを示す等価回路図
である。

【図５】補正電圧にスパイク状のノイズが発生する要因
を示す波形図である。

【図６】本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気ガ
スや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ₂ ，ＳＯ₂ 、ＣＯ₂ 、
Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測
定するガスセンサに適用した第１の実施の形態例（以
下、単に第１の実施の形態に係るガスセンサと記す）の
概略構成を示す構成図である。

【図７】比較例に係るガスセンサの限流特性を示す特性
図である。

【図８】実施例に係るガスセンサの限流特性を示す特性
図である。

【図９】２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３０，
０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示すもの
で、従来例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図で
ある。

【図１０】２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３
０，０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示す
もので、比較例に係るガスセンサの限流特性を示す特性
図である。

【図１１】２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３
０，０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示す
もので、実施例に係るガスセンサの限流特性を示す特性
図である。

【図１２】第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の
変形例を示す構成図である。

【図１３】第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の
変形例を示す構成図である。

【図１４】第１の実施の形態に係るガスセンサの第３の
変形例を示す構成図である。

【図１５】本発明に係るガスセンサを例えば車両の排気
ガスや大気中に含まれるＮＯ，ＮＯ₂ ，ＳＯ₂ 、Ｃ
Ｏ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガ
スを測定するガスセンサに適用した第２の実施の形態例
（以下、単に第２の実施の形態に係るガスセンサと記
す）の概略構成を示す構成図である。

【図１６】第２の実施の形態に係るガスセンサの具体的
構成を示す構成図である。

【図１７】従来例に係る酸素ポンプを用いた限界電流式
酸素センサを示す構成図である。

【図１８】従来例に係る酸素ポンプを用いた限界電流式
酸素センサの限流特性を示す特性図である。

【図１９】他の従来例に係るガスセンサを示す構成図で
ある。

【図２０】他の従来例に係るガスセンサの限流特性を示
す特性図である。

【図２１】酸素ポンプを酸素濃度制御器として利用する
場合における限流特性を示す特性図である。

【図２２】酸素ポンプを利用した従来の全領域型の酸素
センサを示す構成図である。

【符号の説明】

１６…基準ガス導入空間 １８…ガス導入空間 ２０…拡散律速部 ２２…酸素ポンプ ２４ａ…内側ポンプ電極 ２４ｂ…外側ポンプ
電極 ２６…基準電極 ３２…比較増幅器 ４４…差動増幅器 Ｒｉ…ポンプ電流検
出用の抵抗 Ｃ…コンデンサ

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ
   被測定ガスが導入される第１の空間と、 前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内
   側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記
   基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すため
   の制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ
   手段と、 固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導
   入される第２の空間と、 前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電
   極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の
   両端電圧を測定する測定手段と、 前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整す
   る第１の制御電圧調整手段と、 前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際
   に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その電流
   値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレ
   ベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、 前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を
   抑制するスパイク抑制手段を有することを特徴とするガ
   スセンサ。
2. 【請求項２】請求項１記載のガスセンサにおいて、 前記第１の制御電圧調整手段は、前記両端電圧と比較電
   圧との偏差をとる比較手段を有し、該比較手段にて得ら
   れた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するこ
   とを特徴とするガスセンサ。
3. 【請求項３】請求項２記載のガスセンサにおいて、 前記第２の制御電圧調整手段は、ガスポンプ手段による
   前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流
   れる電流を検出して電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両
   端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳
   させる増幅器を有することを特徴とするガスセンサ。
4. 【請求項４】請求項３記載のガスセンサにおいて、 前記スパイク抑制手段は、前記抵抗の両端に接続される
   容量を有することを特徴とするガスセンサ。
5. 【請求項５】請求項３又は４記載のガスセンサにおい
   て、 前記スパイク抑制手段は、前記抵抗と前記増幅器間に接
   続される容量を有することを特徴とするガスセンサ。
6. 【請求項６】請求項３記載のガスセンサにおいて、 前記スパイク抑制手段は、前記増幅器と前記比較電圧の
   発生源との間に接続される容量を有することを特徴とす
   るガスセンサ。
7. 【請求項７】請求項１〜６のうち、いずれか１項記載の
   ガスセンサにおいて、 前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、前記
   被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散
   律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
8. 【請求項８】請求項１〜７のうち、いずれか１項記載の
   ガスセンサにおいて、 前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間
   と、 前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けら
   れ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する
   第２のガス拡散律速部と、 前記第３の空間内に配置され、前記被測定ガスから前記
   所定のガス成分を分解発生させる被測定ガス分解手段
   と、 前記被測定ガス分解手段により分解発生した前記所定の
   ガス成分を検出するガス成分検出手段を有することを特
   徴とするガスセンサ。
9. 【請求項９】請求項１〜７のうち、いずれか１項記載の
   ガスセンサにおいて、 前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間
   と、 前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けら
   れ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する
   第２のガス拡散律速部と、 前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス
   成分供給手段と、 前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分
   を検出するガス成分検出手段を有することを特徴とする
   ガスセンサ。
10. 【請求項１０】固体電解質からなる基体にて囲まれ、か
    つ被測定ガスが導入される第１の空間と、 前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に設けら
    れ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する
    ガス拡散律速部と、 前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内
    側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記
    基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すため
    の制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ
    手段と、 固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導
    入される第２の空間と、 前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電
    極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の
    両端電圧を測定する測定手段と、 前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整す
    る第１の制御電圧調整手段と、 前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際
    に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その電流
    値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレ
    ベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、 前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を
    抑制するスパイク抑制手段を有することを特徴とするガ
    ス濃度制御器。
11. 【請求項１１】請求項１０記載のガス濃度制御器におい
    て、 前記第１の制御電圧調整手段は、前記両端電圧と比較電
    圧との偏差をとる比較手段を有し、該比較手段にて得ら
    れた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するこ
    とを特徴とするガス濃度制御器。
12. 【請求項１２】請求項１１記載のガス濃度制御器におい
    て、 前記第２の制御電圧調整手段は、ガスポンプ手段による
    前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流
    れる電流を検出して電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両
    端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳
    させる増幅器を有することを特徴とするガス濃度制御
    器。
13. 【請求項１３】請求項１２記載のガス濃度制御器におい
    て、 前記スパイク抑制手段は、前記抵抗の両端に接続される
    容量を有することを特徴とするガス濃度制御器。
14. 【請求項１４】請求項１２又は１３記載のガス濃度制御
    器において、 前記スパイク抑制手段は、前記抵抗と前記増幅器間に接
    続される容量を有することを特徴とするガス濃度制御
    器。
15. 【請求項１５】請求項１２記載のガス濃度制御器におい
    て、 前記スパイク抑制手段は、前記増幅器と前記比較電圧の
    発生源との間に接続される容量を有することを特徴とす
    るガス濃度制御器。