JPH1019842A - ガスセンサ、ガスセンサの制御方法、ガス濃度制御器及びガス濃度の制御方法 - Google Patents

ガスセンサ、ガスセンサの制御方法、ガス濃度制御器及びガス濃度の制御方法

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JPH1019842A
JPH1019842A JP8170160A JP17016096A JPH1019842A JP H1019842 A JPH1019842 A JP H1019842A JP 8170160 A JP8170160 A JP 8170160A JP 17016096 A JP17016096 A JP 17016096A JP H1019842 A JPH1019842 A JP H1019842A
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伸秀 加藤
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Abstract

(57)【要約】 【課題】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。 【解決手段】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ポンプ電圧Vpを制御するよ
うに構成する。具体的には、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
ように配線接続して構成する。なお、内側ポンプ電極2
4aは接地とする。

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とその制御方法並びにガス濃度制
御器及びガス濃度の制御方法に関する。
【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
12に示すような全領域酸素センサがある。また、結合
酸素をもつガス(例えばNOx)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より測定
することにより、NOxを測定するガスセンサも知られ
ている。
【0009】例えば図12のガスセンサについて説明す
ると、該ガスセンサは、測定電極100と基準電極10
2間に発生した起電圧を一定に保つように、酸素ポンプ
104に印加する直流電圧をフィードバック制御してい
る。このフィードバック制御は、一般的に測定電極10
0と基準電極102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
を増幅して、目標値との差の増幅電圧を作り、その増幅
電圧がポンプに印加されるようになっている。
【0010】
【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、以下に示す2つの点で問題があ
る。1つは、例えば図12のガスセンサにおいて、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
御に発振が起こることであり(第1の問題点)、他の1
つは、被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、精度よく酸
素濃度を測定できなくなることである(第2の問題
点)。
【0011】まず、第1の問題点について具体的に説明
すると、測定電極100と内部空間106に接するポン
プ電極108に幾何学的寸法があることによる。例え
ば、測定電極100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106の酸素
が汲み出され、内部空間106の酸素濃度は徐々に低下
するが、測定電極100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時間的に遅れ、内部空間106
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100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。
【0012】この場合も同じように、内部空間106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100が検知したときには既に内部空間106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。
【0013】この問題を解決するために、増幅器のゲイ
ンを小さくすると、測定ガス中の酸素濃度が高くなった
場合に制御不足になる。測定ガス中の酸素濃度が高くな
ると大きなポンプ電圧Vpが必要になるが、ゲインが小
さいため、ポンプ電圧Vpが所望の値に上がらないこと
による。
【0014】次に、第2の問題点について説明する。一
般に、酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサにおい
ては、図13及び図14に示すように、大気極110と
排気ガス側の電極112間に一定のポンプ電圧Vpを印
加し、流れる電流値により酸素濃度を測定するセンサが
広く知られているが、このセンサは一定のポンプ電圧V
pを印加しているため、例えば、酸素濃度が大きくなる
と、酸素ポンプ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15の特性図
において、B点はA点より酸素濃度が高い)。
【0015】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。
【0016】これは、図16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110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R
2を介して排気ガス側の電極112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、該
抵抗rに発生した電圧分を電源電圧VE に重畳するもの
である。
【0017】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17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。
【0018】しかしながら、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。
【0019】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、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。
【0020】特に、ポンプ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。酸素センサと
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1
-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。
【0021】このように、従来のガスセンサにおいて
は、測定電極と基準電極間の起電力に基づいて酸素ポン
プに印加する電圧を制御するとフィードバック制御系が
発振するという第1の問題と、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精度よく吸収できないと
いう第2の問題とがある。
【0022】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るガスセンサ、ガ
スセンサの制御方法、ガス濃度制御器及びガス濃度の制
御方法を提供することを目的とする。
【0023】また、本発明の他の目的は、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、ガ
スセンサの制御方法、ガス濃度制御器及びガス濃度の制
御方法を提供することにある。
【0024】
【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
調整する制御電圧調整手段とを設けて構成する。
【0025】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。この測定電圧は制
御電圧調整手段に供給される。制御電圧調整手段は、前
記測定電圧に基づいて前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
を前記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。前記
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の空間における前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。
【0026】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前記所
定のガス成分の汲み出し量が変化して、第1の空間内に
おける前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、前記フィードバック制御に発振現象
は生じなくなる。
【0027】そして、前記制御電圧調整手段としては、
前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設ける
ようにして、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、前記両端電圧が前記比較
電圧に収束されるように前記制御電圧がフィードバック
制御されることとなる。
【0028】また、前記構成において、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する電流検出手段と、前記電
流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電
圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるように
してもよい(請求項3記載の発明)。
【0029】通常、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。前記請求項3記載の発明においては、ガスポンプ
手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧に
反映させるようにしているため、前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に発
振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィード
バック制御を行わせることが可能となり、第1の空間に
導入された被測定ガスのうち、前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。
【0030】なお、前記請求項1〜3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4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5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6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。
【0031】次に、請求項7記載の本発明に係るガスセ
ンサの制御方法は、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、前記両電極間に前記制御電圧を印加するためのポン
プ電源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
準電極とを有するガスセンサの制御方法において、前記
ガスポンプ手段における前記内側電極と前記基準電極と
の両端電圧を測定し、その電圧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。
【0032】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
電圧が測定される。そして、この測定電圧に基づいて前
記ガスポンプ手段に供給すべき制御電圧のレベルが調整
される。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、所定のガス成分を前記制御電圧のレベ
ルに応じた量ほど汲み出す。前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
おける前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。
【0033】この場合、制御電圧のレベル調整に利用さ
れる前記測定電圧は、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前記所定のガス
成分の汲み出し量が変化して、第1の空間内における前
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、前記フィードバック制御に発振現象は生じな
くなる。
【0034】前記制御電圧の調整として、前記起電圧と
比較電圧との偏差をとり、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
8記載の発明)。この場合、前記測定電圧が前記比較電
圧に収束されるように前記制御電圧がフィードバック制
御されることとなる。
【0035】また、前記制御方法において、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、その検出された電流
値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整するようにし
てもよい(請求項9記載の発明)。
【0036】通常、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。前記請求項9記載の発明においては、ガスポンプ
手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧に
反映させるようにしているため、前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に発
振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィード
バック制御を行わせることが可能となり、第1の空間に
導入された被測定ガスのうち、前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。
【0037】なお、前記請求項7〜9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10記載
の発明)。また、前記ガスセンサに、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
段を設けてもよく(請求項11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、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設けるようにし
てもよい(請求項12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。
【0038】次に、請求項13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制御電圧調整手段とを設けて構成す
る。
【0039】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。この測定電圧は制御電圧調整手段に供給される。
制御電圧調整手段は、前記測定電圧に基づいて前記ガス
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、所定のガス成分を前記制御電圧のレベルに応じ
た量ほど汲み出す。前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の空間における前
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。
【0040】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前記所
定のガス成分の汲み出し量が変化して、第1の空間内に
おける前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、前記フィードバック制御に発振現象
は生じなくなる。
【0041】そして、前記制御電圧調整手段としては、
前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設ける
ようにして、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14記載の発明)。この場合、前記両端電圧が前記比
較電圧に収束されるように前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、前記構成において、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する電流検出手段と、前記電
流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電
圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるように
してもよい(請求項15記載の発明)。
【0043】通常、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。前記請求項15記載の発明においては、ガスポン
プ手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧
に反映させるようにしているため、前記誤差が有効に吸
収され、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御に
発振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィー
ドバック制御を行わせることが可能となり、第1の空間
に導入された被測定ガスのうち、前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。
【0044】次に、請求項16記載の本発明に係るガス
濃度の制御方法は、固体電解質からなる基体にて囲まれ
た第1の空間に被測定ガスを導入し、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
極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加
し、固体電解質からなる基体にて囲まれた第2の空間に
基準ガスを導入し、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内側電極との間の両端電圧
を測定し、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベ
ルを調整することを特徴とする。
【0045】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前記所
定のガス成分の汲み出し量が変化して、第1の空間内に
おける前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、前記フィードバック制御に発振現象
は生じなくなる。
【0046】そして、前記制御電圧の調整としては、前
記起電圧と比較電圧との偏差をとり、得られた該偏差に
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17記載の発明)。この場合、前記測定電
圧が前記比較電圧に収束されるように前記制御電圧がフ
ィードバック制御されることとなる。
【0047】また、前記ガス濃度の制御方法において、
前記所定のガス成分の汲み出しの際に前記基体に流れる
電流を検出し、検出された電流値に基づいて前記比較電
圧のレベルを調整するようにしてもよい(請求項18記
載の発明)。
【0048】通常、前記所定のガス成分の汲み出しの際
に、前記基体に電流が流れることから、該基体のインピ
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。前記請求項18記載
の発明においては、前記基体に流れる電流を検出して、
その電流値を比較電圧に反映させるようにしているた
め、前記誤差が有効に吸収され、制御電圧のフィードバ
ック制御に発振現象を生じさせることなく、しかも精度
よくフィードバック制御を行わせることが可能となり、
第1の空間に導入された被測定ガスのうち、前記所定の
ガス成分の濃度を高精度に検出することができる。
【0049】なお、前記被測定ガスの前記第1の空間へ
の導入にあたって、前記被測定ガスに対して所定の拡散
抵抗を付与するようにしてもよい(請求項19記載の発
明)。
【0050】
【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
2 ,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11を参照しながら説明する。
【0051】まず、第1の実施の形態に係るガスセンサ
は、図1及び図2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10a〜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1
0a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。
【0052】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。
【0053】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。
【0054】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、前記ガス導入空間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。
【0055】前記第2の固体電解質層10fの下面のう
ち、前記ガス導入空間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、前記第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。
【0056】また、第1の固体電解質層10dの下面の
うち、前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。
【0057】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18との電位差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。
【0058】 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、前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。
【0059】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、前記両ポンプ電極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。
【0060】一般には、前記内側ポンプ電極24a及び
外側ポンプ電極24b間に、前記電位差計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、
前記酸素ポンプ22は、前記ポンプ電圧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、前記ガス導入空間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。
【0061】そして、前記第1の実施の形態に係るガス
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前記ポンプ電圧Vpを制御す
るように構成している。
【0062】具体的には、前記第1の実施の形態に係る
ガスセンサは、図2に示すように、前記基準電極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構成されている。この
例においては、内側ポンプ電極24aは接地とされてい
る。
【0063】次に、前記第1の実施の形態に係るガスポ
ンプの動作について説明すると、まず、被測定ガスが拡
散律速部20を通じてガス導入空間18に導入され、そ
のときの酸素ポンプ22における内側ポンプ電極24a
と基準ガス導入空間16側に形成された基準電極26と
の間の両端電圧が比較増幅器32の例えば反転端子に印
加される。この比較増幅器32においては、反転端子に
供給されている前記両端電圧と非反転端子に供給されて
いる基準電圧Vbとの差分がとられ、その出力端子から
は、前記差分を所定のゲインにて増幅させたポンプ電圧
(出力電圧)Vpが取り出されることとなる。この出力
電圧Vpは、酸素ポンプ22における外側ポンプ電極2
4bに印加されるが、この場合、内側ポンプ電極24a
は接地電位(0V)とされていることから、結局、酸素
ポンプ22の両電極間の電圧は、前記比較増幅器32か
らの出力電圧Vpと等価とされる。従って、酸素ポンプ
22は、ガス導入空間18に導入された被測定ガスのう
ち、酸素を前記出力電圧Vpのレベルに応じた量ほど汲
み出す、又は汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰
り返されることによって、ガス導入空間18における酸
素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されること
となる。この場合、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。そのため、
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に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、前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。
【0064】なお、前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
が前記基準電圧Vbと同じレベルに収束されるように前
記ポンプ電圧(出力電圧Vp)がフィードバック制御さ
れることとなる。
【0065】次に、前記第1の実施の形態に係るガスセ
ンサの変形例について図3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し、その
重複説明を省略する。
【0066】この変形例に係るガスセンサは、図示する
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10
a〜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前記第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
10d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40及び42が
挟設されている点で異なる。
【0067】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40及び42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44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42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46が区画、形成される。前記第1室44及び第2
室46は、前記第2の拡散律速部42を介して連通され
ている。
【0068】また、前記第1の固体電解質層10dの上
面のうち、前記第2室46を形づくる上面には、後述す
る第2の酸素ポンプ48を構成するための一方の電極
(上側ポンプ電極50a)が形成され、前記第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、かつ基準電極26とは別の箇所
に第2の酸素ポンプ48を構成するための他方の電極
(下側ポンプ電極50b)が形成されている。
【0069】ここで、前記第1及び第2の拡散律速部4
0及び42は、第1室44及び第2室46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。
【0070】このガスセンサにおいても、第1室44に
おける内側ポンプ電極24a及び外側ポンプ電極24b
間に、電位差計28によって検出された電位差に基づい
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、前記酸素ポンプ22は、前記
ポンプ電圧Vpの印加によって、第1室44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、前記
第1室44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44、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52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46にお
いて行われることになる。
【0071】この変形例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52における酸素ポ
ンプ22によって第1室44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AuとPtの
合金を用いることで達成される。
【0072】第1室44における酸素濃度の検出は、前
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(図2参照)に近づくように、即ち、第1室44
の酸素濃度がほぼ0となるように前記ポンプ電圧Vpが
制御されて酸素ポンプ22に印加されることになる。
【0073】これによって、第1室44には一酸化窒素
(NO)が残る。第1室44に残ったNOは第2の拡散
律速部42を通って次の第2室46に流れ込む。この第
2室46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50a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。
【0074】この酸素Oの測定は、上側ポンプ電極50
aと下側ポンプ電極50b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5
0bと上側ポンプ電極50a間にポンプ電源54を第2
室46から酸素O2 を汲み出す方向に接続する。このと
き、第2室46に酸素がなければ、前記両電極50a及
び50b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50a及び50b間に電流は流れ
ず、第2室46に酸素があれば、酸素の汲み出し動作に
よって前記両電極50a及び50b間に電流が流れるこ
とになる。従って、ポンプ電源54に直列に電流計56
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46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。
【0075】つまり、この変形例に係るガスセンサは、
第1室44で被測定ガス中の酸素濃度を低い値で一定に
し、第2室46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48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。
【0076】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46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。
【0077】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4
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46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。
【0078】この変形例に係るガスセンサにおいても、
前記第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52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Vb
との差分をとって、その差分電圧によって前記ポンプ電
圧Vpを制御するように構成している。
【0079】具体的には、前記変形例に係るガスセンサ
は、図4に示すように、前記基準電極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構成されている。この例において
も、内側ポンプ電極24aは接地とされている。
【0080】この変形例においても、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44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、前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。
【0081】次に、第2実施の形態に係るガスセンサに
ついて図5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。
【0082】この第2の実施の形態に係るガスセンサ
は、第1実施の形態に係るガスセンサとほぼ同様の構成
を有するが、内側ポンプ電極24aとGND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60)との間に差動増幅器62が挿入接続されて構成
されている点で異なる。具体的には、差動増幅器62の
非反転端子に抵抗Rの前記一端が接続され、差動増幅器
62の反転端子は接地とされ、その出力端子は、電源6
0の負極に接続されて構成されている。
【0083】この第2の実施の形態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、差動増幅器62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。
【0084】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。
【0085】しかし、この第2の実施の形態に係るガス
センサにおいては、酸素ポンプ22に流れる電流を抵抗
Rにて電圧に変換し、該電圧を差動増幅器62にて所定
のゲインで増幅して電源60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基準電
圧Vb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。
【0086】また、上記第2の実施の形態に係るガスセ
ンサにおいては、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に供給されるポンプ電圧Vpを
ガス導入空間18の酸素濃度が所定の濃度になるように
制御するフィードバック制御系での発振の発生を抑制す
るという効果を有する。即ち、発振の抑制と精度の向上
という2つの課題を、第2の実施の形態に係るガスセン
サのみで実現でき、しかも、上記2つの課題を解決する
ための組み合わせ構造が非常に簡単であることも効果と
して大きい。
【0087】ここで、前記第2の実施の形態に係るガス
センサ(実施例)での特性改善を従来のガスセンサ(比
較例)と比較しながら説明する。
【0088】まず、図6の表図は、被測定ガス中の酸素
濃度が変化したとき、起電力分を400mVに補正制御
しようとする場合の比較例と実施例の実際の起電力分を
比較したものである。比較例では、酸素濃度が高い場
合、起電力分が大きく低下しているのに対し、実施例で
は低下はあるものの、その度合いが大きく改善されてい
る。
【0089】図7及び図8は、前記様子を示したもので
ある。本比較試験では、酸素ポンプ22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。
【0090】比較例(実公平7−45004号)では、
酸素ポンプ22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。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。
【0091】比較例では、酸素ポンプ22のインピーダ
ンス測定のために、電源に交流分(500〜100kH
z)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
が起こりやすいのを、オペアンプ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。
【0092】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
タでは依然として直流分の発振が起こり易い。
【0093】一方、実施例では、酸素ポンプ22のイン
ピーダンスを100Ωにしたときには、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、比較例と同様に実際はその1/2の(17.5×ポ
ンプ電流)しか補正できなかった。
【0094】しかしながら、図8の特性図及び図6の表
図から明らかなように、実施例によれば、酸素濃度が大
きくなった場合、補正効果は比較例に比べ、大きく改善
されている。これは、実施例による補正が、比較例に比
べ、補正量を大きく低減させる効果によるもので、その
低減効果は予測(酸素ポンプ22の内側ポンプ電極24
aを利用しているのみであるから、外側ポンプ電極24
bも使っている比較例に比べ、1/2になると予測され
る)よりもはるかに大きくなっている。
【0095】その理由は、比較例では、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が、
実施例では次式のZ1,Z2,Z3が無視できることに
よる。
【0096】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 また、一般に、ヒータ12を備えた酸素ポンプ22で
は、外側ポンプ電極24bは内側ポンプ電極24aに比
べ温度が低く、界面抵抗が高くなる傾向があるが、実施
例では、温度の低い外側ポンプ電極24bを無視できる
ため、予想以上の補正電圧の低減効果が得られ、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精度を高め
ることができる。
【0097】また、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24bの界面
抵抗の増加が主原因であり、実施例によれば、外側ポン
プ電極24bを無視した補正であるため、使用過程にお
けるインピーダンスの増大にも十分対応できる。
【0098】図9及び図10は、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
の補正の様子を示したものである。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。また、図1
0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30,000km走行した後の特
性を示す。
【0099】比較例では、図9に示すように、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、図10に示すよう
に、20%でも依然として平坦部での動作が可能であ
り、前記実施例、即ち第2の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。
【0100】次に、前記第2の実施の形態に係るガスセ
ンサの変形例について図11を参照しながら説明する。
なお、図4と対応するものについては同符号を記し、そ
の重複説明を省略する。
【0101】この変形例に係るガスセンサは、図示する
ように、第1の実施の形態に係るガスセンサの変形例と
ほぼ同じ構成を有するが、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60)との間に差動増幅器(オペアン
プ)62が挿入接続されて構成されている点で異なる。
具体的には、差動増幅器62の非反転端子に抵抗Rの前
記一端が接続され、差動増幅器62の反転端子は接地と
され、差動増幅器62の出力端子は、電源60の負極に
接続されて構成されている。
【0102】この変形例に係るガスセンサにおいても、
前記第2の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素
ポンプ22に流れる電流を抵抗Rにて電圧に変換し、該
電圧を差動増幅器62にて所定のゲインで増幅して電源
60に重畳させるようにしていることから、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。
【0103】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。
【0104】
【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
る制御電圧調整手段とを設けるようにしている。
【0105】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
ができるという効果が達成される。
【0106】特に、前記構成において、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する電流検出手段と、前記電
流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電
圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるように
すれば、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、所定のガス成分の濃度を精度よ
く検出することができるという効果を併せ持つことがで
きる。
【0107】次に、本発明に係るガスセンサの制御方法
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
極間に前記制御電圧を印加するためのポンプ電源を有す
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を有
するガスセンサの制御方法において、前記ガスポンプ手
段における前記内側電極と前記基準電極との両端電圧を
測定し、その電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調
整するようにしている。
【0108】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
ができるという効果が達成される。
【0109】特に、前記制御方法において、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、その検出された電流
値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整するようにす
れば、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、所定のガス成分の濃度を精度よく
検出することができるという効果を併せ持つことができ
る。
【0110】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
調整する制御電圧調整手段とを設けるようにしている。
【0111】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
ができるという効果が達成される。
【0112】特に、前記構成において、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する電流検出手段と、前記電
流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電
圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるように
すれば、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、所定のガス成分の濃度を精度よ
く検出することができるという効果を併せ持つことがで
きる。
【0113】次に、本発明に係るガス濃度の制御方法に
よれば、固体電解質からなる基体にて囲まれた第1の空
間に被測定ガスを導入し、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間に所定
のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加し、固体電
解質からなる基体にて囲まれた第2の空間に基準ガスを
導入し、前記基体における前記第2の空間側に形成され
た基準電極と前記内側電極との間の両端電圧を測定し、
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
るようにしている。
【0114】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
ができるという効果が達成される。
【0115】特に、前記制御方法において、前記所定の
ガス成分の汲み出しの際に前記基体に流れる電流を検出
し、検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベル
を調整するようにすれば、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、所定のガス成
分の濃度を精度よく検出することができるという効果を
併せ持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】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
2 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)を
示す概略構成図である。
【図2】第1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3】第1の実施の形態に係るガスセンサの変形例の
概略構成を示す構成図である。
【図4】第1の実施の形態に係るガスセンサの変形例の
具体的構成を示す構成図である。
【図5】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
2 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
具体的構成を示す構成図である。
【図6】被測定ガス中の酸素濃度が変化したときに、起
電力分を400mVに補正制御しようとする場合の比較
例と実施例の実際の起電力分を比較した表図である。
【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、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、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11】第2の実施の形態に係るガスセンサの変形例
の具体的構成を示す構成図である。
【図12】従来例に係る全領域酸素ガスセンサを示す構
成図である。
【図13】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(その1)を示す構成図である。
【図14】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(その2)を示す構成図である。
【図15】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16】他の従来例に係るガスセンサを示す構成図で
ある。
【図17】他の従来例に係るガスポンプの限流特性を示
す特性図である。
【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 40…第1の拡散律速部 42…第2の拡
散律速部 44…第1室 46…第2室 52…酸素濃度制御器 62…差動増幅
器 R…抵抗

Claims (19)

    【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
    る制御電圧調整手段と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、 前記制御電圧調整手段は、前記起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する電流検出
    手段と、 前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記
    比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を有する
    ことを特徴とするガスセンサ。
  4. 【請求項4】請求項1〜3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。
  5. 【請求項5】請求項1〜4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。
  6. 【請求項6】請求項1〜4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。
  7. 【請求項7】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、前記両電極間に前記制御電圧を印加するための
    ポンプ電源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
    極とを有するガスセンサの制御方法において、 前記ガスポンプ手段における前記内側電極と前記基準電
    極との両端電圧を測定し、その電圧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の
    制御方法。
  8. 【請求項8】請求項7記載のガスセンサの制御方法にお
    いて、 前記制御電圧の調整は、前記起電圧と比較電圧との偏差
    をとり、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の制御方法。
  9. 【請求項9】請求項8記載のガスセンサの制御方法にお
    いて、 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、その検出
    された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整す
    ることを特徴とするガスセンサの制御方法。
  10. 【請求項10】請求項7〜9のうち、いずれか1項記載
    のガスセンサの制御方法において、 前記ガスセンサは、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
    とするガスセンサの制御方法。
  11. 【請求項11】請求項7〜10のうち、いずれか1項記
    載のガスセンサの制御方法において、 前記ガスセンサは、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の制御方法。
  12. 【請求項12】請求項7〜10のうち、いずれか1項記
    載のガスセンサの制御方法において、 前記ガスセンサは、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
    ガスセンサの制御方法。
  13. 【請求項13】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
    る制御電圧調整手段と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13記載のガス濃度制御器におい
    て、 前記制御電圧調整手段は、前記起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。
  15. 【請求項15】請求項14記載のガス濃度制御器におい
    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する電流検出
    手段と、 前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記
    比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を有する
    ことを特徴とするガス濃度制御器。
  16. 【請求項16】固体電解質からなる基体にて囲まれた第
    1の空間に被測定ガスを導入し、 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間に所定のガス成分を汲み出すため
    の制御電圧を印加し、 固体電解質からなる基体にて囲まれた第2の空間に基準
    ガスを導入し、 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
    極と前記内側電極との間の両端電圧を測定し、 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
    ることを特徴とするガス濃度の制御方法。
  17. 【請求項17】請求項16記載のガス濃度の制御方法に
    おいて、 前記制御電圧の調整は、前記起電圧と比較電圧との偏差
    をとり、得られた該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の制御方法。
  18. 【請求項18】請求項17記載のガス濃度の制御方法に
    おいて、 前記所定のガス成分の汲み出しの際に前記基体に流れる
    電流を検出し、 検出された前記電流値に基づいて前記比較電圧のレベル
    を調整することを特徴とするガス濃度の制御方法。
  19. 【請求項19】請求項16〜18のうち、いずれか1項
    記載のガス濃度の制御方法において、 前記被測定ガスの前記第1の空間への導入にあたって、
    前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与すること
    を特徴とするガス濃度の制御方法。
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