JPH10232220A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】被測定ガス温度による検出出力の変動の抑圧
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

【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に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、被測定ガス中の所望のガス成
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。

【０００３】例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯ
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。

【０００４】前記のようなセンサは、被測定ガスである
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。

【０００５】また、ＮＯｘの還元性を引き出すために
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。

【０００６】また、Ｐｔ電極と酸素イオン導伝性の固体
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。

【０００７】更に、特開平１−２７７７５１号公報や特
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。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のよう
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。

【０００９】そこで、従来から、ガスセンサの温度補償
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。

【００１０】この定抵抗制御方法は、前記のようにヒー
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。

【００１１】この場合、所定ガス成分の検知部分におけ
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。

【００１２】これを解決するためには、ヒータリード部
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。

【００１３】また、従来では、前記定抵抗制御方法に代
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。

【００１４】更に、従来では、検出されたインピーダン
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）。

【００１５】しかしながら、従来のヒータの電流制御系
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。

【００１６】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、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。

【００１７】また、本発明の他の目的は、前記条件に加
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。

【００１８】また、本発明の他の目的は、前記条件に加
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。

【００１９】また、本発明の他の目的は、前記条件に加
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。

【００２０】

【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、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。

【００２１】ここで、主ポンプ手段側の電極とは、主ポ
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。

【００２２】これにより、まず、外部空間から導入され
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。

【００２３】前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃
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。

【００２４】前記検出動作は、ヒータによって少なくと
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。

【００２５】そして、前記動作が行われている間に、イ
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。

【００２６】具体的には、被測定ガス温度が所定温度よ
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。

【００２７】反対に、被測定ガス温度が所定温度よりも
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。

【００２８】従って、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。

【００２９】特に、本発明では、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。

【００３０】そして、前記構成において、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。

【００３１】つまり、本発明に係るガスセンサにおいて
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。

【００３２】次に、請求項３記載の本発明に係るガスセ
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。

【００３３】ここで、濃度検出手段側の電極とは、濃度
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。

【００３４】これにより、まず、外部空間から導入され
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。

【００３５】前記主ポンプ手段にて所定のガス成分の濃
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。

【００３６】この起電力は後段の電圧検出手段を通じて
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。

【００３７】前記検出動作は、ヒータによって少なくと
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。

【００３８】そして、前記動作が行われている間に、イ
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。

【００３９】この請求項３記載の発明においても、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。

【００４０】そして、前記構成において、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。

【００４１】つまり、本発明に係るガスセンサにおいて
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。

【００４２】そして、前記請求項１〜４のいずれか１項
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）。

【００４３】これにより、前記濃度測定手段において、
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。

【００４４】主ポンプ手段は、外部空間から導入された
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。

【００４５】この場合、前記濃度測定手段にて発生する
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）。

【００４６】特に、前記請求項７記載の発明において
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。

【００４７】また、前記構成において、前記インピーダ
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）。

【００４８】これにより、まず、インピーダンス検出手
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。

【００４９】具体的には、被測定ガス温度の上昇に伴っ
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。

【００５０】反対に、被測定ガス温度の下降に伴って、
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。

【００５１】前記動作が行われることによって、センサ
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。

【００５２】また、前記構成において、前記信号検出回
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。

【００５３】また、前記構成において、前記交流発生回
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）。

【００５４】これにより、まず、インピーダンス検出手
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。

【００５５】前記電極間への交流供給によって、該電極
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。

【００５６】そして、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。

【００５７】前記差分回路から出力される偏差信号、特
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。

【００５８】この場合、目標のインピーダンス値を抵抗
（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。

【００５９】また、前記構成において、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設けるようにしてもよい（請求項１
２記載の発明）。

【００６０】これにより、まず、主ポンプ手段にて所定
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。

【００６１】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。

【００６２】従って、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。

【００６３】そして、前記インピーダンス検出手段にて
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）。

【００６４】特に、前記請求項１３及び請求項１４記載
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。

【００６５】なお、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に
て構成することができる（請求項１５記載の発明）。

【００６６】また、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にて構成することができ
る（請求項１６記載の発明）。

【００６７】また、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にて構成することができる
（請求項１７記載の発明）。

【００６８】更に、前記構成において、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）。

【００６９】また、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の拡散律速部を設ける
ようにしてもよい（請求項１９記載の発明）。

【００７０】

【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。

【００７１】まず、第１の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【００７２】具体的には、第２の基板層１０ｂ上に第１
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。

【００７３】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。

【００７４】また、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。

【００７５】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。

【００７６】外部空間と前記第１室２０は、第１の拡散
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。

【００７７】ここで、前記第１及び第２の拡散律速部１
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。

【００７８】特に、第２の拡散律速部１６内には、Ｚｒ
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。

【００７９】そして、前記第２の拡散律速部１６を通じ
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。

【００８０】また、前記第２の固体電解質層１０ｆの下
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。

【００８１】そして、前記主ポンプセル２６における内
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。

【００８２】また、前記第１の固体電解質層１０ｄの上
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。

【００８３】この酸素分圧検出セル３４は、第１室１８
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。

【００８４】検出された酸素分圧値は可変電源２８をフ
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。

【００８５】このフィードバック制御を行う回路系（フ
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。

【００８６】これによって、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。

【００８７】従って、主ポンプセル２６は、第１室１８
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。

【００８８】なお、前記内側ポンプ電極２２及び外側ポ
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。

【００８９】一方、図１に示すように、前記第２の固体
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。

【００９０】そして、前記補助ポンプセル５２における
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。

【００９１】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
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。

【００９２】前記検出電極５６は、被測定ガス成分たる
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。

【００９３】前記定電圧（直流）電源６２は、第３の拡
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。

【００９４】更に、この第１の実施の形態に係るガスセ
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。

【００９５】前記ヒータ６６は、図示するように、第１
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。

【００９６】そして、この第１の実施の形態に係るガス
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。

【００９７】前記インピーダンス検出回路７０は、図３
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。

【００９８】前記内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極
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。

【００９９】従って、前記信号検出回路８２としては、
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。

【０１００】一方、ヒータ制御回路７２は、同じく図４
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Ｖ_H 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＋Ｖ_H ／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−Ｖ_H ／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−Ｖ_H ／２〜＋Ｖ_H ／２の間にあ
る場合に現在のレベルを維持する。

【０１０１】パワートランジスタ９０は、そのコレクタ
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。

【０１０２】前記パワートランジスタ９０は、前記コン
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。

【０１０３】前記交流発生回路８０にて発生する交流成
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。

【０１０４】また、ヒータ制御回路７２のコンパレータ
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。

【０１０５】次に、この第１の実施の形態に係るガスセ
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。

【０１０６】なお、第１の拡散律速部１４は、主ポンプ
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。

【０１０７】また、第１室１８内においては、外部の被
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。

【０１０８】そして、前記第１室１８内のガスは、第２
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。

【０１０９】前記第２の拡散律速部１６は、前記第１の
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。

【０１１０】また、第２室２０内においても、第１室１
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。

【０１１１】そして、上述のようにして第２室２０内に
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。

【０１１２】ところで、前記主ポンプセル２６を動作さ
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。

【０１１３】しかし、この第１の実施の形態に係るガス
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。

【０１１４】そして、検出電極５６に導入された被測定
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。

【０１１５】従って、測定用ポンプセル６０に流れるポ
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。

【０１１６】この場合、第２室２０内の雰囲気中の酸素
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。

【０１１７】例えば、補助ポンプセル５２にて制御され
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。

【０１１８】そして、前記動作が行われている間に、イ
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。

【０１１９】具体的には、被測定ガス温度が所定温度よ
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＋Ｖ_H ／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。

【０１２０】反対に、被測定ガス温度が所定温度よりも
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−Ｖ_H ／
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。

【０１２１】ここで、１つの実験例を示す。この実験例
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。

【０１２２】この実験結果から、比較例においては、被
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。

【０１２３】このように、第１の実施の形態に係るガス
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。

【０１２４】また、第１の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１２５】つまり、第１の実施の形態に係るガスセン
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。

【０１２６】特に、前記第１の実施の形態に係るガスセ
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。

【０１２７】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１２８】まず、第１の変形例に係るガスセンサは、
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。

【０１２９】即ち、ヒータ制御系は、図６に示すよう
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。

【０１３０】具体的には、まず、交流発生回路８０の供
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。

【０１３１】そして、これら第１及び第２の直列回路１
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。

【０１３２】可変抵抗Ｒｃの抵抗値は、第１の直列回路
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。

【０１３３】第１の検波回路１００は、並列回路（素子
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。

【０１３４】パルス幅変調回路１３０は、例えば底辺レ
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。

【０１３５】そして、前記差動増幅器１０４からの出力
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。

【０１３６】また、図１０Ａに示すように、出力信号Ｖ
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。

【０１３７】次に、前記第１の変形例に係るガスセン
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。

【０１３８】前記第１の直列回路１０６への交流供給に
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。

【０１３９】前記第１の検波回路１００から出力される
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。

【０１４０】前記差動増幅器１０４から出力される偏差
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。

【０１４１】まず、暖気期間にあっては、センサ素子温
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。

【０１４２】ヒータ６６の連続通電によって、センサ素
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）。

【０１４３】そして、被測定ガス温度が所定温度よりも
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。

【０１４４】反対に、被測定ガス温度が所定温度よりも
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。

【０１４５】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。

【０１４６】この第１の変形例に係るガスセンサにおい
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。

【０１４７】次に、第２の変形例に係るガスセンサにつ
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。

【０１４８】即ち、この第２の変形例に係るガスセンサ
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。

【０１４９】この例では、差動増幅器１１８の反転端子
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。

【０１５０】次に、第３の変形例に係るガスセンサは、
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。

【０１５１】この場合、第１の実施の形態に係るガスセ
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。

【０１５２】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１５３】この第２の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１５４】即ち、このフィードバック制御系３８は、
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。

【０１５５】次に、前記第２の実施の形態に係るガスセ
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。

【０１５６】従って、主ポンプセル２６は、第１室１８
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。

【０１５７】この場合、差動増幅器１２０の反転端子に
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。

【０１５８】なお、前記フィードバック制御系３８にお
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。

【０１５９】この第２の実施の形態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第１〜第３の変
形例の構成を採用することができる。

【０１６０】次に、第３の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１６１】この第３の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１６２】この酸素分圧検出セル１２２は、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。

【０１６３】この場合、前記酸素分圧検出セル１２２に
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。

【０１６４】従って、前記検出電極１２４及び基準電極
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。

【０１６５】ここで、図１４の特性図を参照しながら前
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。

【０１６６】まず、外部空間のＮＯ濃度が０ｐｐｍのと
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。

【０１６７】外部空間のＮＯ濃度が徐々に増加すると、
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。

【０１６８】そして、この起電力の低下の度合いが、Ｎ
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。

【０１６９】この第３の実施の形態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。

【０１７０】従って、この第３の実施の形態に係るガス
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。

【０１７１】また、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。

【０１７２】しかも、検出電極１２４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、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。

【０１７３】この第３の実施の形態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第１〜第３の変
形例の構成を採用することができる。

【０１７４】次に、第４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。

【０１７５】この第４の実施の形態に係るガスセンサ
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。

【０１７６】この第４の実施の形態に係るガスセンサに
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。

【０１７７】前記第１〜第４の実施の形態に係るガスセ
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。

【０１７８】(1) 外側ポンプ電極２４と補助ポンプ電極
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。

【０１７９】上述した第１〜第４の実施の形態に係るガ
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。

【０１８０】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。

【０１８１】

【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、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。

【０１８２】このため、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。

【０１８３】また、前記インピーダンス検出手段にて検
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。

【０１８４】また、前記交流発生回路を、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。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す構成
図である。

【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサの主ポンプ
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。

【図３】第１の実施の形態に係るガスセンサのヒータ制
御系を示す構成図である。

【図４】ヒータ制御系の具体例を示す回路図である。

【図５】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。

【図６】第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変
形例、特にヒータ制御系の構成を示す回路図である。

【図７】図７Ａは偏差信号のレベルが三角波の頂点レベ
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。

【図８】図８Ａは偏差信号のレベルが三角波の中点レベ
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。

【図９】図９Ａは偏差信号のレベルが三角波の底辺レベ
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。

【図１０】図１０Ａは偏差信号のレベルが三角波の底辺
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。

【図１１】第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の
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。

【図１２】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す構
成図である。

【図１３】第３の実施の形態に係るガスセンサを示す構
成図である。

【図１４】第３の実施の形態に係るガスセンサの出力特
性を示す特性図である。

【図１５】第４の実施の形態に係るガスセンサを示す構
成図である。

【図１６】内側ポンプ電極と基準電極間のインピーダン
スを検出する場合の構成例を示す図である。

【図１７】外側ポンプ電極と基準電極間のインピーダン
スを検出する場合の構成例を示す図である。

【符号の説明】

１２…基準ガス導入空間 １８…第１室 ２０…第２室 ２２…内側ポンプ電
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)

【特許請求の範囲】
1. 【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。
2. 【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。
3. 【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。
4. 【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。
5. 【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。
6. 【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。
7. 【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。
8. 【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。
9. 【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。
10. 【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。
11. 【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。
12. 【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。
13. 【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。
14. 【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。
15. 【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。
16. 【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。
17. 【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。
18. 【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。
19. 【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。