JPH10232220A - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
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- JPH10232220A JPH10232220A JP9274218A JP27421897A JPH10232220A JP H10232220 A JPH10232220 A JP H10232220A JP 9274218 A JP9274218 A JP 9274218A JP 27421897 A JP27421897 A JP 27421897A JP H10232220 A JPH10232220 A JP H10232220A
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Abstract
と、検出出力の高S/N比を実現させる。 【解決手段】第1室18に導入された被測定ガスに含ま
れる酸素をポンピング処理する主ポンプセル26と、第
2室20に導入された被測定ガスに含まれる酸素をポン
ピング処理する補助ポンプセル52と、第3の拡散律速
部58を通じて導入された被測定ガス中の酸素をポンピ
ング処理する測定用ポンプセル60と、該測定用ポンプ
セル60によりポンピング処理される酸素の量に応じて
生じるポンプ電流を検出する電流計64と、少なくとも
主ポンプセル26、補助ポンプセル52及び測定用ポン
プセル60を所定の温度に加熱するヒータ66と、内側
ポンプ電極22と補助ポンプ電極50間のインピーダン
スを検出するインピーダンス検出回路70と、該インピ
ーダンス検出回路70にて検出されたインピーダンス値
に基づいてヒータ66への通電を制御するヒータ制御回
路72を設けて構成する。
Description
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に関する。
分の濃度を知るために、各種の測定方式や装置が提案さ
れている。
xを測定する方法としては、RhのNOx還元性を利用
し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上に
Pt電極及びRh電極を形成してなるセンサを用いて、
これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知
られている。
燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって、起電力
が大きく変化するばかりでなく、NOxの濃度変化に対
して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受
けやすいという問題がある。
は、CO等の還元ガスが必須になることから、一般に大
量のNOxが発生する燃料過少の燃焼条件下では、CO
の発生量がNOxの発生量を下回るようになるため、そ
のような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは測定がで
きないという欠点があった。
電解質よりなる一組の電気化学的ポンプセルとセンサセ
ル、及びRh電極と酸素イオン導伝性の固体電解質より
なるもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組
み合わせ、それぞれのポンプ電流値の差により、NOx
を測定する方式が、特開昭63−38154号公報や特
開昭64−39545号公報等に明らかにされている。
開平2−1543号公報等には、一対の電気化学的ポン
プセルとセンサセルを二組用意し、一方の一組のポンプ
セルとセンサセルからなるセンサにて、NOxが還元さ
れない酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定すると共に、
他方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサに
て、NOxが還元される酸素分圧下で限界ポンプ電流を
測定し、それら限界ポンプ電流の差を求めたり、一組の
ポンプセルとセンサセルからなるセンサを用い、被測定
ガス中の酸素分圧をNOxが還元される酸素分圧と還元
され得ない酸素分圧とに切り換えて、限界電流の差を測
定する方法が提案されている。
なガスセンサにおいては、その出力値に原理上、強い温
度依存性があり、温度補償の必要がある。ガスセンサの
温度とガスセンサの交流抵抗(インピーダンス)には相
関関係があり、具体的には、ガスセンサの温度が上昇す
るに従ってガスセンサのインピーダンスは低下する。
を行う手法として、ブリッジによる定抵抗制御方法が用
いられている。この定抵抗制御方法は、被測定ガス温度
に基づいてヒータの全抵抗(=ヒータ発熱部の抵抗+ヒ
ータリード部の抵抗)を制御するものである。
タの全抵抗を制御することから、被測定ガス温度の上昇
に伴って、素子に内蔵されるヒータリード部の抵抗値が
増加した場合、ヒータ発熱部の抵抗値を下げるように制
御が行われ、これによって、ヒータの出力が低下すると
いう現象が発生する。
る温度が、所定の設定値から逸脱し、ガスセンサの出力
特性において、所定ガス成分の濃度に対する検出電流値
のシフト現象、具体的には、検出電流値が、温度の上昇
に伴って所定ガス成分の濃度に基づく規定の検出電流値
よりも上昇し、検出精度が劣化するという不都合があ
る。
の抵抗値を極力小さくする必要が生じ、配線設計の自由
度が低下するという問題が生じていた。
わるものとして、ガスセンサのインピーダンスを計測す
る手段とガスセンサのインピーダンスが一定となるよう
にヒータへの通電を制御するようにした電流制御装置を
有するガスセンサが提案されている(例えば特開昭58
−178248号公報参照)。これは、電源に交流分を
重畳させ、それに伴うインピーダンスの検出回路を設
け、インピーダンスが一定になるようにヒータに供給さ
れる電流を制御するというものである。
スに基づくヒータの電流制御系(フィードバック制御
系)での発振を防止するために、直流成分のみを正帰還
させるようにしたガスセンサも提案されている(例えば
実公平7−45004号公報参照)。
を有するガスセンサにおいては、所定ガス成分を検出す
るための検出電極に対して交流電流を流すようにしてい
るため、該交流電流がノイズとして現れ、検出出力のS
/N比を劣化させるおそれがある。
れたものであり、被測定ガス温度による検出出力の変動
を抑圧することができ、しかも、検出出力の高S/N比
を実現させることができるガスセンサを提供することを
目的とする。
えて、センサ素子内における主ポンプ手段側の温度と測
定用ポンプ手段(あるいは濃度検出手段)側の温度をモ
ニタすることができ、センサ素子内の温度を高精度に制
御することができるガスセンサを提供することにある。
えて、センサ素子内の温度、特に検出電極近傍の温度を
一定に、かつ高精度に制御することができ、検出出力の
出力変動を更に抑えることができるガスセンサを提供す
ることにある。
えて、制御回路系の簡略化を達成することができるガス
センサを提供することにある。
係るガスセンサは、外部空間に接する固体電解質と該固
体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポ
ンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定
ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加さ
れる制御電圧に基づいてポンピング処理(汲み入れ、汲
み出し)する主ポンプ手段と、固体電解質と該固体電解
質に形成された検出電極と基準電極とを有し、前記主ポ
ンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含
まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極
間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定
用ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピン
グ処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポ
ンプ電流を検出する電流検出手段と、少なくとも前記主
ポンプ手段及び測定用ポンプ手段を所定の温度に加熱す
るヒータと、前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポ
ンプ手段側の電極間のインピーダンスを検出するインピ
ーダンス検出手段と、前記インピーダンス検出手段にて
検出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの
通電を制御するヒータ制御手段を設けて構成する。
ンプ手段を構成する電極のほか、該主ポンプ手段近傍の
電極を含む。また、測定用ポンプ手段側の電極とは、測
定用ポンプ手段を構成する電極のほか、該測定用ポンプ
手段近傍の電極を含む。
た被測定ガスのうち、所定のガス成分が主ポンプ手段に
よってポンピング処理され、該所定のガス成分は所定濃
度に調製される。
度が調製された被測定ガスは、次の測定用ポンプ手段に
導かれる。測定用ポンプ手段は、検出電極と基準電極間
に印加される電圧に基づいて、前記被測定ガスのうち、
所定のガス成分をポンピング処理する。前記測定用ポン
プ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分
の量に応じて該測定用ポンプ手段に生じるポンプ電流が
電流検出手段にて検出される。この検出値に基づいて被
測定ガス中の特定成分量が求められることとなる。
も前記主ポンプ手段及び測定用ポンプ手段が所定の温度
に加熱されて行われることから、測定用ポンプ手段によ
る所定成分量の検出が高精度に行われる。
ンピーダンス検出手段を通じて、前記主ポンプ手段側の
電極と前記測定用ポンプ手段側の電極間のインピーダン
ス値が検出され、更に、ヒータ制御手段を通じて前記検
出されたインピーダンス値に基づいてヒータへの通電が
制御される。
りも上昇して前記インピーダンス値が低下すると、ヒー
タへの通電量を減らすように制御、あるいはヒータへの
通電を停止する。これにより、センサ素子内の温度は徐
々に低下することとなる。
下降して前記インピーダンス値が上昇すると、ヒータへ
の通電量を増加するように制御、あるいはヒータへの通
電を開始する。これにより、センサ素子内の温度は徐々
に上昇することとなる。このようにヒータへの通電制御
をインピーダンス値に基づいて行うことにより、センサ
素子内の温度を一定に保つことが可能となる。
と、ヒータリード部の抵抗値とヒータ発熱部の抵抗値と
の抵抗比率を厳密に作製する必要性がなくなると共に、
被測定ガス温度のヒータリード部の抵抗値増加による影
響を回避することができる。
電極と前記測定用ポンプ手段側の電極間のインピーダン
ス値を検出するようにしているため、センサ素子内にお
ける主ポンプ手段側の温度と測定用ポンプ手段側の温度
をモニタすることができ、これにより、センサ素子内の
温度を高精度に制御することができる。
ダンス検出手段でのインピーダンス検出の対象となる前
記測定用ポンプ手段側の電極として、前記検出電極を除
く電極とすることが好ましい(請求項2記載の発明)。
この場合、測定用ポンプ手段に印加される電圧がインピ
ーダンス検出のために変動するということがなくなり、
電流検出手段を通じて検出されるポンプ電流のゆらぎや
ノイズの重畳等を抑圧することができる。
は、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧するこ
とができ、しかも、検出出力の高S/N比を実現させる
ことができる。
ンサは、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の
内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極と
を有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含ま
れる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電
圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、固体
電解質と該固体電解質に形成された検出電極と基準電極
とを有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された
後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前
記基準電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の
量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、前
記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電
圧検出手段と、少なくとも前記主ポンプ手段及び濃度検
出手段を所定の温度に加熱するヒータと、前記主ポンプ
手段側の電極と前記濃度検出手段側の電極間のインピー
ダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記イン
ピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンス値に
基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段
を設けて構成する。
検出手段を構成する電極のほか、濃度検出手段近傍の電
極を含む。
た被測定ガスのうち、所定のガス成分が主ポンプ手段に
よってポンピング処理され、該所定のガス成分は所定濃
度に調製される。
度が調整された被測定ガスは、次の濃度検出手段に導か
れ、該濃度検出手段において、前記主ポンプ手段にてポ
ンピング処理された後の被測定ガスに含まれる前記所定
のガス成分の量と基準電極側の基準ガスにおける所定の
ガス成分の量との差に応じた起電力が発生する。
検出され、この検出値に基づいて被測定ガス中の特定成
分量が求められることとなる。
も前記主ポンプ手段及び濃度検出手段が所定の温度に加
熱されて行われることから、濃度検出手段による所定ガ
ス成分の量の検出(起電力の発生)が高精度に行われ
る。
ンピーダンス検出手段を通じて、前記主ポンプ手段側の
電極と前記濃度検出手段側の電極間のインピーダンス値
が検出され、更に、ヒータ制御手段を通じて前記検出さ
れたインピーダンス値に基づいてヒータへの通電が制御
される。このようにヒータへの通電制御をインピーダン
ス値に基づいて行うことにより、センサ素子内の温度を
一定に保つことが可能となる。
主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポンプ手段側の電極
間のインピーダンス値を検出するようにしているため、
センサ素子内における主ポンプ手段側の温度と測定用ポ
ンプ手段側の温度をモニタすることができ、これによ
り、センサ素子内の温度を高精度に制御することができ
る。
ダンス検出手段でのインピーダンス検出の対象となる前
記濃度検出手段側の電極として、前記検出電極を除く電
極とすることが好ましい(請求項4記載の発明)。この
場合、濃度検出手段において発生する起電力がインピー
ダンス検出のために変動するということがなくなり、電
圧検出手段を通じて検出される前記起電力(電圧)のゆ
らぎやノイズの重畳等を抑圧することができる。
も、請求項2記載の発明と同様に、被測定ガス温度によ
る検出出力の変動を抑圧することができ、しかも、検出
出力の高S/N比を実現させることができる。
に記載の発明において、前記主ポンプ手段でのポンピン
グ処理時における前記被測定ガスに含まれる前記所定の
ガス成分の量と前記基準電極側の基準ガスにおける前記
所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃
度測定手段と、前記起電圧に基づいて、前記内側ポンプ
電極と外側ポンプ電極間に印加される前記制御電圧のレ
ベルを調整する主ポンプ制御手段を設けるようにしても
よい(請求項5記載の発明)。
前記主ポンプ手段でのポンピング処理時における前記被
測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準
電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との
差に応じた起電力が発生する。主ポンプ制御手段を通じ
て、前記起電力に基づいて、前記主ポンプ手段における
内側ポンプ電極と外側ポンプ電極間に印加される制御電
圧のレベルが調整される。
被測定ガスのうち、所定のガス成分を制御電圧のレベル
に応じた量ほどポンピング処理する。前記レベル調整さ
れた制御電圧の主ポンプ手段への供給によって、前記被
測定ガス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。
起電力としては、少なくとも前記主ポンプ手段の近傍に
形成された測定電極と前記基準電極との間に発生する両
端電圧(請求項6記載の発明)、あるいは少なくとも前
記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と前記基準電極
との間の両端電圧である(請求項7記載の発明)。
は、主ポンプ手段による前記所定のガス成分のポンピン
グ量が変化して、被測定ガス中の前記所定のガス成分の
濃度が変化すると、主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。
ンス検出手段として、前記検出対象の電極間に交流を供
給する交流発生回路と、該検出対象の電極間への交流供
給によって該電極間に発生する該電極間のインピーダン
スに応じたレベルの電圧信号を検出する信号検出回路と
を有するようにし、更に、前記ヒータ制御手段として、
前記インピーダンス検出手段における信号検出回路から
の電圧信号のレベルと基準レベルとを比較する比較回路
と、前記比較回路での比較結果に基づいてヒータへの通
電をON/OFF制御するスイッチング回路を設けるよ
うにしてもよい(請求項8記載の発明)。
段における交流供給回路を通じて前記検出対象の電極間
に交流が供給され、この交流供給によって前記電極間に
発生する該電極間のインピーダンスに応じたレベルの電
圧信号が信号検出回路を通じて検出される。該信号検出
回路にて検出された電圧信号は、後段のヒータ制御手段
に供給される。このヒータ制御手段においては、まず、
比較回路において、前記供給された電圧信号のレベルと
基準レベルとが比較される。そして、この比較回路での
比較結果は後段のスイッチング回路に供給される。スイ
ッチング回路は、供給された前記比較結果に基づいてヒ
ータへの通電を制御する。
て、前記検出電極を除く電極間のインピーダンスが低下
して、前記比較結果が例えば「電圧信号のレベルが基準
レベルよりも低い」を示す場合、スイッチング回路はヒ
ータへの通電を停止する。これにより、センサ素子内の
温度は徐々に低下することとなる。
前記電極間のインピーダンスが増加して、前記比較結果
が例えば「電圧信号のレベルが基準レベルよりも高い」
を示す場合、スイッチング回路はヒータへの通電を開始
する。これにより、センサ素子内の温度は徐々に上昇す
ることとなる。
素子内の温度は迅速に一定温度に収束されることにな
る。
路に、前記電極間に発生する交流信号を前記電極間のイ
ンピーダンスに応じたレベルの電圧信号に変換するフィ
ルタ回路を設けるようしてもよい(請求項9記載の発
明)。このフィルタ回路として、例えばローパスフィル
タやバンドパスフィルタを用いることができる。
路を、前記電極間のほか、該電極間の正規のインピーダ
ンスに応じた抵抗値に設定された抵抗にも交流が供給さ
れるように配線接続し、前記信号検出回路として、前記
電極間に発生する交流信号を前記電極間のインピーダン
スに応じたレベルの電圧信号に変換する第1の検波回路
と、前記抵抗に発生する交流信号を該抵抗のインピーダ
ンスに応じたレベルの電圧信号に変換して参照信号とす
る第2の検波回路と、前記第1の検波回路から出力され
る電圧信号と前記第2の検波回路から出力される参照信
号との差分をとり偏差信号として出力する差分回路を設
けるようにしてもよい(請求項10記載の発明)。
段における交流供給回路を通じて前記検出電極を除く電
極間に交流が供給されると同時に、前記電極間の正規の
インピーダンスに応じた抵抗値に設定された抵抗にも交
流が供給される。
間に発生する交流信号が第1の検波回路に供給されて、
前記電極間のインピーダンスに応じたレベルの例えば直
流の電圧信号に変換される。一方、前記抵抗への交流供
給によって、該抵抗に発生する交流信号が第2の検波回
路に供給されて、前記抵抗のインピーダンスに応じたレ
ベルの例えば直流の電圧信号(参照信号)に変換され
る。
る電圧信号と前記第2の検波回路から出力される参照信
号は共に差分回路に供給され、該差分回路は、前記電圧
信号と参照信号との差分をとり偏差信号として出力す
る。
にその偏差レベルは、後段のヒータ制御手段における比
較回路において基準レベルと比較される。そして、前記
偏差レベルが例えば基準レベルよりも低ければ、例えば
ヒータへの通電が停止され、反対に、前記偏差レベルが
例えば基準レベルよりも高ければ、ヒータへの通電が開
始される。
(純抵抗)にて設定するようにしているため、交流信号
を電圧信号に変換する第1及び第2の検波回路として、
オペアンプを用いた高次のローパスフィルタやバンドパ
スフィルタのような複雑な回路構成を有する回路デバイ
スを用いる必要がなくなり、簡単な例えば1次のCRロ
ーパスフィルタやダイオードを用いた整流回路を用いる
ことで実現でき、回路構成の簡略化及び消費電力の低減
を有効に達成させることができる。
近傍に形成された補助ポンプ電極を有し、前記主ポンプ
手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含まれ
る所定のガス成分を、前記補助ポンプ電極と前記基準電
極間に印加される電圧に基づいて前記ポンピング処理す
る補助ポンプ手段を設けるようにしてもよい(請求項1
2記載の発明)。
のガス成分が所定濃度に粗調整された被測定ガスは、更
に補助ポンプ手段によって所定のガス成分の濃度が微調
整される。前記動作が行われている間に、外部空間にお
ける被測定ガス中の所定ガス成分の濃度が大きく(例え
ば0から20%)変化すると、主ポンプ手段に導かれる
被測定ガスの所定ガス成分の濃度分布が大きく変化し、
測定用ポンプ手段あるいは濃度検出手段に導かれる所定
ガス成分量も変化する。
の被測定ガスにおける所定ガス成分の濃度は、補助ポン
プ手段でのポンピング処理にて微調整されることになる
が、主ポンプ手段でのポンピング処理によって、前記補
助ポンプ手段に導かれる被測定ガス中の所定ガス成分の
濃度変化は、外部空間からの被測定ガス(主ポンプ手段
に導かれる被測定ガス)における所定ガス成分の濃度変
化よりも大幅に縮小されるため、測定用ポンプ手段にお
ける検出電極近傍あるいは濃度検出手段における検出電
極近傍での所定ガス成分の濃度を精度よく一定に制御す
ることができる。
出手段に導かれる所定ガス成分の濃度は、前記被測定ガ
ス(主ポンプ手段に導かれる被測定ガス)における所定
ガス成分の濃度変化の影響を受け難くなり、その結果、
電流検出手段にて検出されるポンプ電流値あるいは電圧
検出手段にて検出される起電力は、前記被測定ガスにお
ける所定ガス成分の濃度変化に影響されず、被測定ガス
中に存在する目的成分量に正確に対応した値となる。
検出される前記検出電極を除く電極間のインピーダンス
としては、例えば前記主ポンプ手段におけるいずれかの
電極(内側ポンプ電極又は外側ポンプ電極)と前記基準
電極とのインピーダンスでもよいし(請求項11記載の
発明)、前記補助ポンプ手段における補助ポンプ電極と
前記基準電極間のインピーダンスでもよい(請求項13
記載の発明)。その他、前記主ポンプ手段におけるいず
れかの電極と前記補助ポンプ電極間のインピーダンスを
検出するようにしてもよい(請求項14記載の発明)。
の発明においては、センサ素子内における検出電極近傍
の温度をより高精度に制御することができるため、被測
定ガス温度による検出出力(ポンプ電流値あるいは起電
力)の変動を有効に抑圧することができ、ガスセンサの
検出精度の向上並びに信頼性の向上を実現させることが
できる。
らなる基体にて囲まれ、かつ前記被測定ガスが導入され
る第1室の内外に形成された前記内側ポンプ電極及び外
側ポンプ電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体に
て構成することができる(請求項15記載の発明)。
質からなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にて
ポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第2
室内に形成された前記検出電極と、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基準ガス導
入室に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記
基準電極にて挟まれた前記基体にて構成することができ
る(請求項16記載の発明)。
らなる基体にて囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポン
ピング処理された後の被測定ガスが導入される第2室内
に形成された前記検出電極と、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基準ガス導入室
に形成された前記基準電極と、前記検出電極と前記基準
電極にて挟まれた前記基体にて構成することができる
(請求項17記載の発明)。
おける前記被測定ガスの前記第1室への導入経路に、前
記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第1の
拡散律速部を設け、前記主ポンプ手段にてポンピング処
理された後の前記被測定ガスの前記第2室への導入経路
に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する
第2の拡散律速部を設けるようにしてもよい(請求項1
8記載の発明)。
の前記検出電極への進入経路に、前記被測定ガスに対し
て所定の拡散抵抗を付与する第3の拡散律速部を設ける
ようにしてもよい(請求項19記載の発明)。
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い
くつかの実施の形態例を図1〜図17を参照しながら説
明する。
は、図1に示すように、ZrO2 等の酸素イオン導伝性
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
のスペーサ層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10
fとされている。
のスペーサ層10cが積層され、更に、この第1のスペ
ーサ層10c上に第1の固体電解質層10d、第2のス
ペーサ層10e及び第2の固体電解質層10fが順次積
層されている。
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12)
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のスペーサ層10cの側面によって
区画、形成されている。
及び10f間に第2のスペーサ層10eが挟設されると
共に、第1及び第2の拡散律速部14及び16が挟設さ
れている。
面、第1及び第2の拡散律速部14及び16の側面並び
に第1の固体電解質層10dの上面によって、被測定ガ
ス中の酸素分圧を調整するための第1室18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16の側面、第2のスペーサ層10eの側面並び
に第1の固体電解質層10dの上面によって、被測定ガ
ス中の酸素分圧を微調整し、更に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20が区画、形成される。
律速部14を介して連通され、第1室18と第2室20
は、前記第2の拡散律速部16を介して連通されてい
る。
4及び16は、第1室18及び第2室20にそれぞれ導
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。
O2 等からなる多孔質体が充填、配置されて、前記第2
の拡散律速部16の拡散抵抗が前記第1の拡散律速部1
4における拡散抵抗よりも大きくされている。
て、第1室18内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第2
室20内に導入される。
面のうち、前記第1室18を形づくる下面全面に、平面
ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ
電極22が形成され、前記第2の固体電解質層10fの
上面のうち、前記内側ポンプ電極22に対応する部分
に、外側ポンプ電極24が形成されており、これら内側
ポンプ電極22、外側ポンプ電極24並びにこれら両電
極22及び24間に挟まれた第2の固体電解質層10f
にて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル26
が構成されている。
側ポンプ電極22と外側ポンプ電極24間に、外部の可
変電源28を通じて所望の制御電圧(ポンプ電圧)Vp
1を印加して、外側ポンプ電極24と内側ポンプ電極2
2間に正方向あるいは負方向にポンプ電流を流すことに
より、前記第1室18内における雰囲気中の酸素を外部
空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第1室18
内に汲み入れることができるようになっている。
面のうち、前記第1室18を形づくる上面であって、か
つ第2の拡散律速部16に近接する部分に、平面ほぼ矩
形状の多孔質サーメット電極からなる測定電極30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12に露呈する部分に基準電極32が
形成されており、これら測定電極30、基準電極32及
び第1の固体電解質層10dによって、電気化学的なセ
ンサセル、即ち、酸素分圧検出セル34が構成されてい
る。
内の雰囲気と基準ガス導入空間12内の基準ガス(大
気)との間の酸素濃度差に基づいて、測定電極30と基
準電極32との間に発生する起電力を電圧計36にて測
定することにより、前記第1室18内の雰囲気の酸素分
圧が検出できるようになっている。
ィードバック制御するために使用され、具体的には、第
1室18内の雰囲気の酸素分圧が、次の第2室20にお
いて酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値
となるように、主ポンプセル26のポンプ動作が制御さ
れる。
ィードバック制御系)38は、具体的には、図2に示す
ように、測定電極30の電位と接地電位との差(測定電
圧Va)と、基準電極32の電位と接地電位との差(基
準電圧Vb)との差分をとり、所定のゲインにて増幅し
て出力する第1の差動増幅器40と、該第1の差動増幅
器40の出力と参照電圧Vcとの差分をとり、所定のゲ
インにて増幅して出力する第2の差動増幅器42と、該
第2の差動増幅器42の出力を所定のゲインにて増幅す
る1段あるいは多段の増幅器44にて構成された信号増
幅系46を有して構成されている。この場合、信号増幅
系46の出力が主ポンプセル26の外側ポンプ電極24
に供給されるように配線接続され、内側ポンプ電極22
は接地とされる。
拡散律速部14を通じて第1室18に導入され、そのと
きの測定電圧Vaと基準電圧Vbが第1の差動増幅器4
0に供給され、該第1の差動増幅器40からは前記測定
電圧Vaと基準電圧Vbとの差分電圧Vdが出力され
る。この差分電圧Vdは、後段の第2の差動増幅器42
の例えば反転端子に印加される。この第2の差動増幅器
42においては、反転端子に供給される前記差分電圧V
dと非反転端子に供給される参照電圧Vcとの差分がと
られ、その出力端子からは、その差分を所定のゲインに
て増幅された電圧信号Veが出力される。そして、この
電圧信号Veは、後段の信号増幅系46にて所定のゲイ
ンにて増幅されてポンプ電圧Vp1として主ポンプセル
26の外側ポンプ電極24に供給される。この場合、内
側ポンプ電極22は接地電位(0V)とされていること
から、結局、主ポンプセル26の両電極22及び24間
の電圧は、信号増幅系46からのポンプ電圧Vp1と等
価とされる。
に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧
Vp1のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み
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、第1室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になる。
ンプ電極24を構成する多孔質サーメット電極は、Pt
等の金属とZrO2 等のセラミックスとから構成される
ことになるが、被測定ガスに接触する第1室18内に配
置される内側ポンプ電極22及び測定電極30は、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る必要があり、例えばLa
3 CuO4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あ
るいはAu等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサ
ーメット、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とPt
族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが
好ましい。更に、電極材料にAuとPt族金属の合金を
用いる場合は、Au添加量を金属成分全体の0.03〜
35vol%にすることが好ましい。
電解質層10fの下面のうち、前記第2室20を形づく
る下面全面には、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電
極からなる補助ポンプ電極50が形成されており、該補
助ポンプ電極50及び前記基準電極32並びに第2の固
体電解質層10f、第2のスペーサ層10e及び第1の
固体電解質層10dにて補助的な電気化学的ポンプセ
ル、即ち、補助ポンプセル52が構成されている。
補助ポンプ電極50と基準電極32間に、外部の電源5
4を通じて所望の一定電圧Vp2を印加することによ
り、第2室20内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間
12に汲み出せるようになっている。これによって、第
2室20内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス
成分(NOx)が還元又は分解され得ない状況下で、か
つ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧
値とされる。この場合、第1室18における主ポンプセ
ル26の働きにより、この第2室20内に導入される酸
素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小さ
れるため、第2室20における酸素分圧は精度よく一定
に制御される。
ンサにおいては、前記第1の固体電解質層10dの上面
のうち、前記第2室20を形づくる上面であって、かつ
第2の拡散律速部16から離間した部分に、平面ほぼ矩
形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極56が形
成され、この検出電極56を被覆するように、第3の拡
散律速部58を構成するアルミナ膜が形成されている。
そして、該検出電極56、前記基準電極32及び第1の
固体電解質層10dによって、電気化学的なポンプセ
ル、即ち、測定用ポンプセル60が構成される。
NOxを還元し得る金属であるRhとセラミックスとし
てのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成さ
れ、これにより、第2室20内の雰囲気中に存在するN
Oxを還元するNOx還元触媒として機能するほか、前
記基準電極32との間に、直流電源62を通じて一定電
圧Vp3が印加されることによって、第2室20内の雰
囲気中の酸素を基準ガス導入空間12に汲み出せるよう
になっている。この測定用ポンプセル60のポンプ動作
によって流れるポンプ電流Ipは、電流計64によって
検出されるようになっている。
散律速部58により制限されたNOxの流入下におい
て、測定用ポンプセル60で分解時に生成した酸素のポ
ンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加
できるようになっている。
ンサにおいては、第1及び第2の基板層10a及び10
bにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電
によって発熱するヒータ66が埋設されている。このヒ
ータ66は、酸素イオンの導伝性を高めるために設けら
れるもので、該ヒータ66の上下面には、基板層10a
及び10bとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等の
セラミックス層68が形成されている。
室18から第2室20の全体にわたって配設されてお
り、これによって、第1室18及び第2室20がそれぞ
れ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル26、酸
素分圧検出セル34、補助ポンプセル52及び測定用ポ
ンプセル60も所定の温度に加熱、保持されるようにな
っている。
センサにおいては、前記検出電極56を除く、例えば主
ポンプセル26における内側ポンプ電極22と補助ポン
プ電極50との間に挿入接続され、かつ両電極22及び
50間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出
回路70と、該インピーダンス検出回路70からの検出
信号に基づいて前記ヒータ66への通電を制御するヒー
タ制御回路72を具備したヒータ制御系を有する。
に示すように、前記内側ポンプ電極22と補助ポンプ電
極50間に交流を供給する交流発生回路80と、前記電
極22及び50間への交流供給によって該電極22及び
50間に発生する該電極22及び50間のインピーダン
スに応じたレベルの電圧信号Vfを検出する信号検出回
路82を有する。
50とこれら両電極22及び50間に挟まれた第2の固
体電解質層10fにて構成されるインピーダンス被測定
体は、図4に示すように、等価的に抵抗Rと容量Cとが
並列に接続された回路84で表すことができる。
図4に示すように、前記電極22及び50間に発生する
交流信号を前記電極22及び50間のインピーダンスに
応じたレベルの電圧信号(以下、単に検出レベルと記
す)Vfに変換するフィルタ回路(例えばローパスフィ
ルタやバンドパスフィルタなど)86にて構成すること
ができる。
に示すように、ヒステリシス付きコンパレータ88とp
np型のパワートランジスタ90を有して構成されてい
る。ヒステリシス付きコンパレータ88は、基準レベル
をE、不感帯レベルをVH としたとき、前記フィルタ回
路86から出力される電圧信号Vfの検出レベルが正側
しきい値レベル(E+VH /2)より高い場合に低レベ
ル信号を出力し、前記検出レベルが負側しきい値レベル
(E−VH /2)より低い場合に高レベル信号を出力
し、前記検出レベルが−VH /2〜+VH /2の間にあ
る場合に現在のレベルを維持する。
端子に電源Vccが接続され、ベース端子に前記ヒステ
リシス付きコンパレータ88の出力側が接続され、エミ
ッタ端子にヒータ66の一方の端子φ1が接続されてい
る。なお、ヒータ66の他方の端子φ2は接地とされて
いる。
パレータ88から低レベル信号がベース端子に供給され
ることによってON動作し、これによって、電源Vcc
からヒータ66に駆動電流が供給され、反対に、前記コ
ンパレータ88から高レベル信号がベース端子に供給さ
れることによってOFF動作し、これによって、ヒータ
66への駆動電流の供給が停止されるようになってい
る。
分の周波数帯域としては、例えば300Hz〜100k
Hz程度の範囲に設定されることが望ましく、1kHz
〜10kHzが最適である。また、前記交流成分の電圧
としては、各電極が機能に支障のないレベル、例えば±
500mV以下に設定されることが望ましく、±100
〜±300mV程度が最適である。
88に供給される基準レベルEは、センサ素子内の被測
定ガス温度が所定温度(所望の温度)となったときの検
出レベルと同じレベルに設定される。
ンサの動作について説明する。まず、ガスセンサの先端
部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガス
は、第1の拡散律速部14を通じて所定の拡散抵抗の下
に、第1室18に導入される。この第1室18に導入さ
れた被測定ガスは、主ポンプセル26を構成する外側ポ
ンプ電極24及び内側ポンプ電極22間に所定のポンプ
電圧Vp1が印加されることによって引き起こされる酸
素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、
例えば10-7atmとなるように制御される。この制御
は、図2に示すフィードバック制御系38を通じて行わ
れる。
セル26にポンプ電圧Vp1を印加した際に、被測定ガ
ス中の酸素が測定空間(第1室18)に拡散流入する量
を絞り込んで、主ポンプセル26に流れる電流を抑制す
る働きをしている。
測定ガスによる加熱、更にはヒータ66による加熱環境
下においても、内側ポンプ電極22や測定電極30にて
雰囲気中のNOxが還元されない酸素分圧下の状態、例
えばNO→1/2N2 +1/2O2 の反応が起こらない
酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第1室1
8内において、被測定ガス(雰囲気)中のNOxが還元
されると、後段の第2室20内でのNOxの正確な測定
ができなくなるからであり、この意味において、第1室
18内において、NOxの還元に関与する成分(ここで
は、内側ポンプ電極22や測定電極30の金属成分)に
てNOxが還元され得ない状況を形成する必要がある。
具体的には、内側ポンプ電極22及び測定電極30にN
Ox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。
の拡散律速部16を通じて所定の拡散抵抗の下に、第2
室20に導入される。この第2室20に導入されたガス
は、補助ポンプセル52を構成する補助ポンプ電極50
及び基準電極32間に所定の一定電圧Vp2が印加され
ることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を
受け、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるよう
に微調整される。
拡散律速部14と同様に、補助ポンプセル52に一定電
圧Vp2を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空
間(第2室20)に拡散流入する量を絞り込んで、補助
ポンプセル52に流れる電流を抑制する働きをしてい
る。
8内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ6
6による加熱環境下において、補助ポンプ電極50によ
って、雰囲気中のNOxが還元されない酸素分圧下の状
態が形成されている。このため、前記補助ポンプ電極5
0においても、内側ポンプ電極22や測定電極30と同
様に、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る必要があり、
例えばLa3 CuO4 等のペロブスカイト構造を有する
化合物、あるいはAu等の触媒活性の低い金属とセラミ
ックスのサーメット、あるいはAu等の触媒活性の低い
金属とPt族金属とセラミックスのサーメットで構成さ
れることが好ましい。更に、電極材料にAuとPt族金
属の合金を用いる場合は、Au添加量を金属成分全体の
0.03〜35vol%にすることが好ましい。
おいて酸素分圧が制御された被測定ガスは、第3の拡散
律速部58を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極5
6に導かれることとなる。
せて第1室18内の雰囲気の酸素分圧をNOx測定に実
質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたと
き、換言すれば、酸素分圧検出セル34にて検出される
電圧が一定となるように、フィードバック制御系38を
通じて可変電源28のポンプ電圧Vp1を調整したと
き、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば0〜20
%に変化すると、通常、第2室20内の雰囲気及び検出
電極56付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化する
ようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くな
ると、測定電極30上の第1室18の幅方向及び厚み方
向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガ
ス中の酸素濃度により変化するためであると考えられ
る。
センサにおいては、第2室20に対して、その内部の雰
囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値となるよう
に、補助ポンプセル52を設けるようにしているため、
第1室18から第2室20に導入される雰囲気の酸素分
圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記補
助ポンプセル52のポンプ動作によって、第2室20内
の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることがで
き、その結果、NOxの測定に実質的に影響がない低い
酸素分圧値に制御することができる。
ガスのNOxは、該検出電極56の周りにおいて還元又
は分解されて、例えばNO→1/2N2 +1/2O2 の
反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル6
0を構成する検出電極56と基準電極32との間には、
酸素が第2室20から基準ガス導入空間12側に汲み出
される方向に、所定の電圧Vp3、例えば430mV
(700℃)が印加される。
ンプ電流Ipは、第2室20に導かれる雰囲気中の酸素
濃度、即ち、第2室20内の酸素濃度と検出電極56に
てNOxが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和
に比例した値となる。
濃度は、補助ポンプセル52にて一定に制御されている
ことから、例えば図5に示すように、前記測定用ポンプ
セル60に流れるポンプ電流Ipは、NOxの濃度に比
例することになる。また、このNOxの濃度は、第3の
拡散律速部58に制限されるNOxの拡散量に対応して
いることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化した
としても、測定用ポンプセル60から電流計64を通じ
て正確にNOx濃度を測定することが可能となる。
た第2室20内の雰囲気の酸素分圧が0.02ppm
で、被測定ガス中のNOx成分たるNO濃度が100p
pmとすると、NOが還元又は分解されて発生する酸素
濃度50ppmと第2室20内の雰囲気中の酸素濃度
0.02ppmとの和(=50.02ppm)に相当す
るポンプ電流Ipが流れることとなる。従って、測定用
ポンプセル60におけるポンプ電流値は、ほとんどがN
Oが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガ
ス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
ンピーダンス検出回路70を通じて、前記検出電極56
を除く、内側ポンプ電極22と補助ポンプ電極50間の
インピーダンスが電圧レベルとして検出され、更に、ヒ
ータ制御回路72を通じて前記検出された電圧レベルに
基づいてヒータ66への通電が制御される。
りも低下して、前記電極22及び50間のインピーダン
スが上昇すると、インピーダンス検出回路70のフィル
タ回路86(図4参照)から出力される電圧信号Vfの
レベルも高くなる。該電圧信号Vfのレベルがコンパレ
ータ88の正側しきい値レベル(E+VH /2)より高
くなると、ヒータ制御回路72におけるパワートランジ
スタ90のベース電極に低レベル信号が供給され、ヒー
タ66への通電が開始される。これにより、センサ素子
内の被測定ガス温度は徐々に上昇することとなる。
上昇して、前記電極22及び50間のインピーダンスが
下降すると、前記フィルタ回路86から出力される電圧
信号Vfのレベルも低くなる。該電圧信号Vfのレベル
がコンパレータ88の負側しきい値レベル(E−VH /
2)より低くなると、ヒータ制御回路72におけるパワ
ートランジスタ90のベース電極に高レベル信号が供給
され、ヒータ66への通電が停止される。これにより、
センサ素子内の測定ガス温度は徐々に低下することとな
る。このようにヒータ66への通電制御をインピーダン
ス値に基づいて行うことにより、センサ素子内の温度を
一定に保つことが可能となる。
は、前記第1の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成
を有する実施例と従来の定抵抗制御を用いた比較例を、
高酸素濃度/高温ガス領域を有するディーゼルエンジン
の排気ガス中に置き、これら実施例と比較例の出力特性
が被測定ガス温度の高低によってどれだけ変動するかを
みたものである。その実験結果を図5に示す。この図5
に示す特性図は、下側の横軸に外部空間中のNO濃度、
縦軸に電流計64での検出電流値、上側の横軸に測定時
の被測定ガス温度をとって、実施例と比較例の出力特性
をプロットしたものである。この図5において、●が実
施例の出力特性を示し、■が比較例の出力特性を示す。
測定ガス温度が600℃までの段階では、NO濃度に従
った検出電流値を得ることができるが、600℃を超え
た段階から検出電流値のシフト現象、具体的には、検出
電流値が、温度の上昇に伴って所定ガス成分の濃度に基
づく規定の検出電流値よりも上昇するという現象が生じ
ていることがわかる。一方、実施例においては、800
℃の段階まで、NO濃度に従った検出電流値が得られて
おり、比較例よりも特性が向上していることがわかる。
センサにおいては、従来の定抵抗制御方法と比較する
と、ヒータリード部の抵抗値とヒータ発熱部の抵抗値と
の抵抗比率を厳密に作製する必要性がなくなると共に、
被測定ガス温度のヒータリード部の抵抗値増加による影
響を回避することができる。
では、検出電極56を除く電極間のインピーダンス値を
検出するようにしているため、測定用ポンプセル60に
印加される電圧Vp3がインピーダンス検出のために変
動するということがなくなり、電流計64を通じて検出
されるポンプ電流Ipのゆらぎやノイズの重畳等を抑圧
することができる。
サにおいては、被測定ガス温度による検出出力の変動を
抑圧することができ、しかも、検出出力の高S/N比を
実現させることができる。
ンサにおいては、内側ポンプ電極22と補助ポンプ電極
50間のインピーダンスを検出するようにしているた
め、第1室18内の温度と第2室20内の温度をモニタ
しながらセンサ素子内を制御することが可能となり、検
出電極56近傍の被測定ガス温度をより高精度に制御す
ることができる。その結果、被測定ガス温度による検出
出力(ポンプ電流値)の変動を有効に抑圧することがで
き、ガスセンサの検出精度の向上並びに信頼性の向上を
実現させることができる。
の3つの変形例について図6〜図11を参照しながら説
明する。なお、図1及び図4と対応するものについては
同符号を付してその重複説明を省略する。
前記第1の実施の形態に係るガスセンサ(図1及び図4
参照)とほぼ同じ構成を有するが、ヒータ制御系の構成
が以下の点で異なる。
に、前記交流発生回路80のほかに、2つの検波回路
(第1の検波回路100及び第2の検波回路102)と
1つの差動増幅器104と、パワートランジスタ90の
ベースを駆動する信号(以下、単にベース駆動信号Sp
と記す)のパルス幅を変調するパルス幅変調回路130
を有して構成されている。
給ライン間に、抵抗Rと容量Cの並列回路84(内側ポ
ンプ電極22と補助ポンプ電極50とその間の第2の固
体電解質層10fとで構成されるインピーダンス被測定
体の等価回路)に固定抵抗Raが直列接続されてなる第
1の直列回路106と、可変抵抗Rcに固定抵抗Rbが
直列接続されてなる第2の直列回路108がそれぞれ並
列に接続されている。
06及び108への交流供給によって並列回路(素子イ
ンピーダンス)84に発生する交流信号Saが第1の検
波回路100に供給されるように配線接続され、可変抵
抗Rcに発生する交流信号Sbが第2の検波回路102
に供給されるように配線接続され、更に、第1の検波回
路100の出力Vgと第2の検波回路102の出力Vh
が共に後段の差動増幅器104に供給されるように配線
接続されている。図6では、差動増幅器104の非反転
入力端子に第1の検波回路100の出力Vgが入力さ
れ、反転入力端子に第2の検波回路102の出力Vhが
入力されるように配線接続されている例を示す。
106として接続されるインピーダンス被測定体におけ
る電極間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定
される。この例では、内側ポンプ電極22と補助ポンプ
電極50間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設
定される。
インピーダンス)84に発生する交流信号Saを所定の
ゲインにて増幅する非反転増幅回路110と、該非反転
増幅回路110からの出力Scを整流して、その出力レ
ベルに応じた直流レベルの電圧信号Vgに変換する整流
回路112が接続されて構成されている。第2の検波回
路102は、可変抵抗Rcに発生する交流信号Sbを所
定のゲインにて増幅する非反転増幅回路114と、該非
反転増幅回路114からの出力Sdを整流して、その出
力レベルに応じた直流レベルの電圧信号Vhに変換する
整流回路116が接続されて構成されている。固定抵抗
Raと固定抵抗Rbは共に同じ抵抗値とされている。
ベルが−5V、頂点レベルが+5Vの所定の三角波St
を生成して出力する三角波生成回路132と、該三角波
生成回路132からの三角波Stと前記差動増幅器10
4からの出力信号Viとを比較するコンパレータ134
を有して構成されている。なお、図6では、コンパレー
タ134の反転入力端子に差動増幅器104からの出力
信号Viが入力され、非反転入力端子に三角波生成回路
132からの三角波Stが入力されるように配線接続さ
れている例を示す。
信号Viのレベルは、前記三角波Stに対する1つのし
きい値を構成している。つまり、図7Aに示すように、
出力信号Viのレベルが三角波Stの頂点レベル以上の
場合は、図7Bに示すように、コンパレータ134から
常時低レベルのベース駆動信号が出力され、図8A及び
図9Aに示すように、出力信号Viのレベルが三角波の
底辺レベルより高く、頂点レベル未満である場合は、図
8B及び図9Bに示すように、三角波Stのうち、前記
出力信号Viのレベルよりも高い期間が高レベル、前記
出力信号Viのレベルよりも低い期間が低レベルとされ
たベース駆動信号が出力されるようになっている。
iのレベルが三角波の底辺レベル以下の場合は、図10
Bに示すように、コンパレータ134から常時高レベル
のベース駆動信号が出力されるようになっている。
サ、特にヒータ制御系の動作について説明する。まず、
交流発生回路80を通じて、インピーダンス被測定体
(並列回路)84を有する第1の直列回路106に交流
が供給されると同時に、前記電極22及び50間の正規
のインピーダンスに応じた抵抗値に設定された可変抵抗
Rcを有する第2の直列回路108にも交流が供給され
る。
よって、並列回路84(素子インピーダンス)に発生す
る交流信号Saが第1の検波回路100に供給され、直
流化された電圧信号Vgに変換されて出力される。一
方、前記第2の直列回路108への交流供給によって、
可変抵抗Rcに発生する交流信号Sbが第2の検波回路
102に供給され、直流化された電圧信号(参照信号)
Vhに変換されて出力される。
電圧信号Vgと前記第2の検波回路102から出力され
る参照信号Vhは共に差動増幅器104に供給され、該
差動増幅器104は、前記電圧信号Vgと参照信号Vh
との差分をとって偏差信号Viとして出力する。
信号Vi、特にその電圧レベルは、後段のパルス幅変調
回路130におけるコンパレータ134において、三角
波生成回路132からの三角波Stと比較される。
度と被測定ガス温度との温度差が非常に大きく、前記電
極22及び50間のインピーダンスが非常に大きくなっ
ていることから、図7Aに示すように、偏差信号Viの
レベルは三角波Stの頂点レベルを超え、ベース駆動信
号Spは常時低レベルとなる。その結果、パワートラン
ジスタ90は常時ON状態となり、ヒータ66に対して
連続通電が行われる。
子温度が上昇すると、偏差信号Viのレベルが三角波S
tの頂点レベル未満となり、前記偏差信号Viのレベル
は、被測定ガス温度の高低に応じて前記底辺レベル〜頂
点レベルの間を変動することになる(図8A〜図9B参
照)。
下降して、前記電極22及び50間のインピーダンスが
上昇すると、図8A及び図8Bに示すように、インピー
ダンス検出回路70の差動増幅器104から出力される
偏差信号Viのレベルも高くなり、その分、ベース駆動
信号Spの低レベルのパルス幅が広くなる。その結果、
ヒータ66への通電時間が長くなり、センサ素子内の被
測定ガス温度は徐々に上昇することとなる。
上昇して、前記電極22及び50間のインピーダンスが
下降すると、図9A及び図9Bに示すように、インピー
ダンス検出回路70の差動増幅器104から出力される
偏差信号Viのレベルも低くなり、その分、ベース駆動
信号Spの低レベルのパルス幅が狭くなる。その結果、
ヒータ66への通電時間が短くなり、センサ素子内の被
測定ガス温度は徐々に下降することになる。
ピーダンス値に基づいて行うことにより、センサ素子内
の温度を一定に保つことが可能となる。
ては、目標のインピーダンス値を抵抗(可変抵抗Rc)
にて設定することができるため、交流信号を電圧信号に
変換する第1及び第2の検波回路100及び102とし
て、オペアンプを用いた高次のローパスフィルタやバン
ドパスフィルタのような複雑な回路構成を有する回路デ
バイスを用いる必要がなくなり、簡単な例えば差動増幅
器、ダイオードを用いた整流回路や1次のCRローパス
フィルタを用いることで実現でき、回路構成の簡略化及
び消費電力の低減を有効に達成させることができる。
いて図11を参照しながら説明する。この第2の変形例
に係るガスセンサは、図11に示すように、前記第1の
実施の形態に係るガスセンサ(図4参照)とほぼ同じ構
成を有するが、ヒータ制御回路72におけるヒステリシ
ス付きコンパレータ88の代わりに差動増幅器118が
接続されている点で異なる。後段のパワートランジスタ
90は、トランジスタの飽和領域と遮断領域を使ったデ
ジタル的なスイッチング回路ではなく、飽和領域、動作
領域及び遮断領域を使用したアナログ的な電流制御回路
として機能する。
においては、ヒータ66への通電を停止せずに、前記電
極22及び50間のインピーダンスの変化に基づいて連
続的に電流供給量を制御することによって、センサ素子
内の被測定ガス温度を制御する。この場合、ヒータ66
への通電開始時においてみられるような極度な電力消費
を抑制することができる。
に差動増幅器104からの偏差信号Viが供給され、非
反転端子に基準レベルEaが供給されるように配線接続
された場合を示す。ここで、基準レベルEaは、差動増
幅器104からの偏差信号Viのレベル(偏差レベル)
と比較する必要から、図4の基準レベルEとは異なるレ
ベルに設定される。具体的には、センサ素子内の被測定
ガス温度が所定温度(所望の温度)となったときの偏差
レベルと同じレベルに設定される。
ここでは図示しないが、ヒータ制御系のインピーダンス
検出回路70として、第1の実施の形態に係るガスセン
サにおけるインピーダンス検出回路、即ちフィルタ回路
86を使用したインピーダンス検出回路70とし、ヒー
タ制御回路72として第2の変形例に係るガスセンサに
おけるヒータ制御回路、即ち、差動増幅器118を使用
したヒータ制御回路72とした構成を有する。
ンサの効果と第2の変形例に係るガスセンサの効果を併
せ持ったガスセンサを得ることができる。
について図12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付してその重複説明を
省略する。
は、図12に示すように、前記第1の実施の形態に係る
ガスセンサ(図1参照)とほぼ同様の構成を有するが、
主ポンプセル26に対するフィードバック制御系38の
構成が以下の点で異なる。
前記基準電極32と内側ポンプ電極22との間の両端電
圧Vjを基準電圧Vr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差動増幅器120を設け、該差
動増幅器120からの出力電圧(差分電圧)を主ポンプ
セル26へのポンプ電圧Vp1として外側ポンプ電極2
4と内側ポンプ電極22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22は接地とされている。
ンサの動作について説明すると、まず、被測定ガスが第
1の拡散律速部14を通じて第1室18に導入され、そ
のときの主ポンプセル26における内側ポンプ電極22
と基準ガス導入空間12側に形成された基準電極32と
の間の両端電圧Vjが差動増幅器120の例えば反転端
子に印加される。この差動増幅器120においては、反
転端子に供給される前記両端電圧Vjと非反転端子に供
給される基準電圧Vr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れた電圧V
p1が取り出されることとなる。この出力電圧Vp1
は、主ポンプセル26における外側ポンプ電極24に印
加されるが、この場合、内側ポンプ電極22は接地電位
(0V)とされていることから、結局、主ポンプセル2
6の両電極22及び24間の電圧は、前記差動増幅器1
20からの出力電圧Vp1と等価とされる。
に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記出力電圧V
p1のレベルに応じた量ほど汲み出す又は汲み入れるポ
ンプとしての機能を果たす。そして、前記一連の動作が
繰り返されることによって、第1室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。
印加される両端電圧(測定電圧)Vjを、主ポンプセル
26における内側ポンプ電極22と基準ガス導入空間1
2における基準電極32との間の両端電圧としている。
そのため、主ポンプセル26による酸素の汲み出し量が
変化して、第1室18内における酸素の濃度が変化する
と、主ポンプセル26における内側ポンプ電極22と基
準電極32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)ことになり、前記フィードバック
制御系38での発振現象を有効に抑えることができる。
いては、内側ポンプ電極22と基準電極32間の両端電
圧Vjが前記基準電圧Vrと同じレベルに収束されるよ
うに前記制御電圧(出力電圧Vp1)がフィードバック
制御されることとなる。
おいても、前記第1の実施の形態に係る第1〜第3の変
形例の構成を採用することができる。
について図13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付してその重複説明を
省略する。
は、図13に示すように、前記第1の実施の形態に係る
ガスセンサ(図1参照)とほぼ同様の構成を有するが、
測定用ポンプセル60に代えて、酸素分圧検出セル12
2が設けられている点で異なる。
体電解質層10dの上面のうち、前記第2室20を形づ
くる上面に形成された検出電極124と、前記第1の固
体電解質層10dの下面に形成された前記基準電極32
と、これら両電極124及び32間に挟まれた第1の固
体電解質層10dによって構成されている。
おける検出電極124と基準電極32との間に、検出電
極124の周りの雰囲気と基準電極32の周りの雰囲気
との間の酸素濃度差に応じた起電力(酸素濃淡電池起電
力)が発生することとなる。
32間に発生する起電力を電圧計126にて測定するこ
とにより、検出電極124の周りの雰囲気の酸素分圧、
換言すれば、被測定ガス成分(NOx)の還元又は分解
によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電
圧値として検出される。
記第3の実施の形態に係るガスセンサの検出原理を説明
する。
き、フィードバック制御系38を通じて第1室18内の
雰囲気中の酸素濃度を主ポンプセル26におけるポンプ
電圧Vp1が300mVに相当する値(10-7atm)
に制御すると、第2室20内の雰囲気中の酸素濃度も1
0-7atmとなり、前記第2室20用の酸素分圧検出セ
ル122における検出電極124と基準電極32の間に
発生する起電力は約460mVとなる。
前記検出電極124も上述した測定用ポンプセル60
(図1参照)における検出電極56と同様に、NOx還
元触媒として機能することから、前記検出電極124で
は、NOの還元又は分解反応が引き起こされ、検出電極
124の周りの雰囲気中の酸素濃度が上がり、これによ
って、検出電極124と基準電極32間に発生する起電
力が徐々に低下することとなる。図14の特性図では、
NO濃度が例えば300ppm、500ppm、100
0ppmというように増加するにつれて、電圧計126
にて検出される起電力は、300mV、250mV、2
20mVというように徐々に低下している。
O濃度を表すことになる。つまり、前記検出電極124
と基準電極32と第1の固体電解質層10dとから構成
される第2室20用の酸素分圧検出セル122から出力
される起電力が、被測定ガス中のNO濃度を表すことに
なる。
おいても、前記第1の実施の形態に係るヒータ制御系と
同様のヒータ制御系、即ち、インピーダンス検出回路7
0とヒータ制御回路72を有する。
センサにおいては、前記第1の実施の形態に係るガスセ
ンサと同様に、ヒータリード部の抵抗値とヒータ発熱部
の抵抗値との抵抗比率を厳密に作製する必要性がなくな
ると共に、被測定ガス温度のヒータリード部の抵抗値増
加による影響を回避することができる。
極50間のインピーダンス値を検出するようにしている
ため、酸素分圧検出セル122にて発生する起電力がイ
ンピーダンス検出のために変動するということがなくな
り、電圧計126を通じて検出される起電力(電圧)の
ゆらぎやノイズの重畳等を抑圧することができる。これ
によって、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧
することができ、しかも、検出出力の高S/N比を実現
させることができる。
温度をより高精度に制御することができ、被測定ガス温
度による検出出力(起電力)の変動を有効に抑圧するこ
とができる。これは、ガスセンサの検出精度の向上並び
に信頼性の向上の実現につながる。
おいても、前記第1の実施の形態に係る第1〜第3の変
形例の構成を採用することができる。
について図15を参照しながら説明する。
は、前記第3の実施の形態に係るガスセンサと同様の構
成を有するが、主ポンプセル26に対するフィードバッ
ク制御系38の構成が前記第2の実施の形態に係るガス
センサと同様の構成、即ち、前記基準電極32と内側ポ
ンプ電極22との間の両端電圧Vjを基準電圧Vr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差
動増幅器120が設けられ、該差動増幅器120からの
出力電圧(差分電圧)を主ポンプセル26へのポンプ電
圧Vp1として外側ポンプ電極24と内側ポンプ電極2
2間に印加するように配線接続されて構成されている点
で異なる。
おいては、前記第3の実施の形態に係るガスセンサと同
様の効果を有するほか、前記第2の実施の形態に係るガ
スセンサの効果、即ち、フィードバック制御系38での
発振現象を有効に抑えることができるという効果を奏す
る。
ンサ(各種変形例を含む)においては、インピーダンス
検出回路70にて内側ポンプ電極22と補助ポンプ電極
50間のインピーダンスを検出してセンサ素子内の被測
定ガス温度を制御するようにしたが、以下に示す電極間
のインピーダンスを検出してセンサ素子内の被測定ガス
温度を制御するようにしてもよい。
50間 (2) 基準電極32と補助ポンプ電極50間 (3) 内側ポンプ電極22と検出電極(56又は124)
間 (4) 外側ポンプ電極24と検出電極(56又は124)
間 (5) 内側ポンプ電極22と基準電極32間(図16参
照) (6) 外側ポンプ電極24と基準電極32間(図17参
照) 特に、(5) 及び(6) の場合においては、図16及び図1
7に示すように、第1の固体電解質層10dの下面に形
成される基準電極32を、主ポンプセル26に対応する
位置(主ポンプセル26の下方の位置)まで延長させて
形成する、あるいはここでは図示しないが、基準電極3
2を、第1の固体電解質層10dの下面のうち、主ポン
プセルに対応する位置に形成することがインピーダンス
の検出精度を向上させる上で好ましい。
スセンサにおいては、被測定ガス成分としてNOxが対
象とされているが、被測定ガス中に存在する酸素の影響
を受けるNOx以外の結合酸素含有ガス成分、例えばH
2 OやCO2 等の測定にも有効に適用することができ
る。
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。
センサによれば、外部空間に接する固体電解質と該固体
電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポン
プ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガ
スに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加され
る制御電圧に基づいてポンピング処理(汲み入れ、汲み
出し)する主ポンプ手段と、固体電解質と該固体電解質
に形成された検出電極と基準電極とを有し、前記主ポン
プ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスに含ま
れる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間
に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用
ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピング
処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポン
プ電流を検出する電流検出手段と、少なくとも前記主ポ
ンプ手段及び測定用ポンプ手段を所定の温度に加熱する
ヒータと、前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポン
プ手段側の電極間のインピーダンスを検出するインピー
ダンス検出手段と、前記インピーダンス検出手段にて検
出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの通
電を制御するヒータ制御手段を設けるようにしている。
の変動を抑圧することができ、しかも、検出出力の高S
/N比を実現させることができるという効果が達成され
る。特に、前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポン
プ手段側の電極間のインピーダンスを検出するようにし
ているため、センサ素子における主ポンプ手段側の温度
と測定用ポンプ手段(あるいは濃度検出手段)側の温度
をモニタすることができ、センサ素子内の温度を高精度
に制御することができる。
出される電極間のインピーダンスとして、補助ポンプ手
段における補助ポンプ電極と基準電極間のインピーダン
スや、主ポンプ手段における内側ポンプ電極と補助ポン
プ電極間のインピーダンスを検出するようにすれば、セ
ンサ素子内における検出電極近傍の被測定ガス温度を高
精度に制御することができ、検出出力の出力変動を更に
抑えることができる。
ほか、該電極間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値
に設定された抵抗にも交流が供給されるように配線接続
し、前記信号検出回路として、前記電極間に発生する交
流信号を前記電極間のインピーダンスに応じたレベルの
電圧信号に変換する第1の検波回路と、前記抵抗に発生
する交流信号を該抵抗のインピーダンスに応じたレベル
の電圧信号に変換して参照信号とする第2の検波回路
と、前記第1の検波回路から出力される電圧信号と前記
第2の検波回路から出力される参照信号との差分をとり
偏差信号として出力する差分回路を設けるようにすれ
ば、制御回路系の簡略化を達成することができるという
特有の効果を得ることができる。
図である。
セルに対するフィードバック制御系を示す構成図であ
る。
御系を示す構成図である。
を有する実施例と従来の定抵抗制御法を用いた比較例に
おける出力特性の被測定ガス温度依存性を示す特性図で
ある。
形例、特にヒータ制御系の構成を示す回路図である。
ルよりも高い場合を示す波形図であり、図7Bはそのと
きのベース駆動信号を示す波形図である。
ルから頂点レベルの間にある場合を示す波形図であり、
図8Bはそのときのベース駆動信号を示す波形図であ
る。
ルから中点レベルの間にある場合を示す波形図であり、
図9Bはそのときのベース駆動信号を示す波形図であ
る。
レベルよりも低い場合を示す波形図であり、図10Bは
そのときのベース駆動信号を示す波形図である。
変形例、特にヒータ制御系におけるヒータ制御回路の構
成を示す回路図である。
成図である。
成図である。
性を示す特性図である。
成図である。
スを検出する場合の構成例を示す図である。
スを検出する場合の構成例を示す図である。
極 24…外側ポンプ電極 26…主ポンプセル 30…測定電極 32…基準電極 34…酸素分圧検出セル 38…フィードバッ
ク制御系 50…補助ポンプ電極 52…補助ポンプセ
ル 56…検出電極 60…測定用ポンプ
セル 66…ヒータ 70…インピーダン
ス検出回路 72…ヒータ制御回路 80…交流発生回路 82…信号検出回路 84…インピーダンス被測定体(並列回路) 86…フィルタ回路 88…ヒステリシス
付きコンパレータ 90…パワートランジスタ 100…第1の検波
回路 102…第2の検波回路 104、110、114、118、120…差動増幅器 Rc…可変抵抗
Claims (19)
- 【請求項1】外部空間に接する固体電解質と、該固体電
解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ
電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガス
に含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される
制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段
と、 固体電解質と、該固体電解質に形成された検出電極と基
準電極とを有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理
された後の被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前
記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づい
てポンピング処理する測定用ポンプ手段と、 前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記
所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出す
る電流検出手段と、 少なくとも前記主ポンプ手段及び測定用ポンプ手段を所
定の温度に加熱するヒータと、 前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポンプ手段側の
電極間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出
手段と、 前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダ
ンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ
制御手段を有することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項2】請求項1記載のガスセンサにおいて、 前記インピーダンス検出手段でのインピーダンス検出の
対象となる前記測定用ポンプ手段側の電極は、前記検出
電極を除く電極であることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項3】外部空間に接する固体電解質と、該固体電
解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ
電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガス
に含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される
制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段
と、 固体電解質と、該固体電解質に形成された検出電極と基
準電極とを有し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理
された後の被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の
量と前記基準電極側の基準ガスにおける前記所定のガス
成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段
と、 前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する
電圧検出手段と、 少なくとも前記主ポンプ手段及び濃度検出手段を所定の
温度に加熱するヒータと、 前記主ポンプ手段側の電極と前記濃度検出手段側の電極
間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段
と、 前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダ
ンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ
制御手段を有することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項4】請求項3記載のガスセンサにおいて、 前記インピーダンス検出手段でのインピーダンス検出の
対象となる前記濃度検出手段側の電極は、前記検出電極
を除く電極であることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項5】請求項1〜4のいずれか1項に記載のガス
センサにおいて、 前記主ポンプ手段でのポンピング処理時における前記被
測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準
電極側の基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との
差に応じた起電力を発生する濃度測定手段と、 前記起電圧に基づいて、前記内側ポンプ電極と外側ポン
プ電極間に印加される前記制御電圧のレベルを調整する
主ポンプ制御手段を有することを特徴とするガスセン
サ。 - 【請求項6】請求項5記載のガスセンサにおいて、 前記濃度測定手段にて発生する起電力は、少なくとも前
記主ポンプ手段の近傍に形成された測定電極と前記基準
電極との間に発生する両端電圧であることを特徴とする
ガスセンサ。 - 【請求項7】請求項5記載のガスセンサにおいて、 前記濃度測定手段にて発生する起電力は、少なくとも前
記主ポンプ手段における内側ポンプ電極と前記基準電極
との間の両端電圧であることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項8】請求項1〜7のいずれか1項に記載のガス
センサにおいて、 前記インピーダンス検出手段は、前記検出対象の電極間
に交流を供給する交流発生回路と、 前記検出対象の電極間への交流供給によって該電極間に
発生する該電極間のインピーダンスに応じたレベルの電
圧信号を検出する信号検出回路を有し、 前記ヒータ制御手段は、前記インピーダンス検出手段に
おける信号検出回路からの電圧信号のレベルと基準レベ
ルとを比較する比較回路と、 前記比較回路での比較結果に基づいてヒータへの通電を
ON/OFF制御するスイッチング回路を有することを
特徴とするガスセンサ。 - 【請求項9】請求項8記載のガスセンサにおいて、 前記信号検出回路は、前記電極間に発生する交流信号を
前記電極間のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号
に変換するフィルタ回路を有することを特徴とするガス
センサ。 - 【請求項10】請求項8記載のガスセンサにおいて、 前記交流発生回路は、前記電極間のほか、該電極間の正
規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定された抵抗に
も交流が供給されるように配線接続され、 前記信号検出回路は、前記電極間に発生する交流信号を
前記電極間のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号
に変換する第1の検波回路と、 前記抵抗に発生する交流信号を該抵抗のインピーダンス
に応じたレベルの電圧信号に変換して参照信号とする第
2の検波回路と、 前記第1の検波回路から出力される電圧信号と前記第2
の検波回路から出力される参照信号との差分をとり偏差
信号として出力する差分回路を有することを特徴とする
ガスセンサ。 - 【請求項11】請求項1〜10のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記インピーダンス検出手段は、前記主ポンプ手段にお
けるいずれかの電極と前記基準電極とのインピーダンス
を検出することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項12】請求項1〜11のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記検出電極の近傍に形成された補助ポンプ電極を有
し、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被
測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記補助ポンプ
電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいて前記
ポンピング処理する補助ポンプ手段を有することを特徴
とするガスセンサ。 - 【請求項13】請求項12記載のガスセンサにおいて、 前記インピーダンス検出手段は、前記補助ポンプ電極と
前記基準電極間のインピーダンスを検出することを特徴
とするガスセンサ。 - 【請求項14】請求項12記載のガスセンサにおいて、 前記インピーダンス検出手段は、前記主ポンプ手段にお
けるいずれかの電極と前記補助ポンプ電極間のインピー
ダンスを検出することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項15】請求項1〜14のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記主ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて囲ま
れ、かつ前記被測定ガスが導入される第1室の内外に形
成された前記内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極と、 これら両電極にて挟まれた前記基体を有することを特徴
とするガスセンサ。 - 【請求項16】請求項1、2、5〜15のいずれか1項
に記載のガスセンサにおいて、 前記測定用ポンプ手段は、固体電解質からなる基体にて
囲まれ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理され
た後の被測定ガスが導入される第2室内に形成された前
記検出電極と、 固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導
入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、 前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体を有
することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項17】請求項3〜15のいずれか1項に記載の
ガスセンサにおいて、 前記濃度検出手段は、固体電解質からなる基体にて囲ま
れ、かつ前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後
の被測定ガスが導入される第2室内に形成された前記検
出電極と、 固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導
入される基準ガス導入室に形成された前記基準電極と、 前記検出電極と前記基準電極にて挟まれた前記基体を有
することを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項18】請求項15〜17のいずれか1項に記載
のガスセンサにおいて、 前記外部空間における前記被測定ガスの前記第1室への
導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を
付与する第1の拡散律速部が設けられ、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の前記被
測定ガスの前記第2室への導入経路に、前記被測定ガス
に対して所定の拡散抵抗を付与する第2の拡散律速部が
設けられていることを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項19】請求項18記載のガスセンサにおいて、 前記第2室における前記被測定ガスの前記検出電極への
進入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を
付与する第3の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。
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