JPH10246719A - ガスセンサ及びガスセンサの制御方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】複数の直流電源における基準電位のライン（Ｇ
ＮＤライン）を共通化できるようにして、絶縁独立した
直流電源（絶縁型電源）の個数を最小限にとどめ、ガス
センサの制御回路系の小型化、軽量化を促進させる。 【解決手段】主ポンプセル１１８を用いて、外部空間か
ら第１室１１０に導入された被測定ガスに含まれる酸素
をポンピング処理して、第１室１１０における酸素分圧
を測定対象である所定ガス成分が分解され得ない所定の
値に制御し、検出用ポンプセル１３４を用いて、第２室
１１２内の被測定ガスに含まれる所定ガス成分を触媒作
用及び／又は電気分解により分解し、分解時に発生した
酸素をポンピング処理し、そのとき流れるポンプ電流Ｉ
ｐ２に基づいて被測定ガス中の所定ガス成分を測定する
ガスセンサ１００Ａの制御方法であって、検出用ポンプ
セル１３４により汲み出す酸素を、主ポンプセル１１８
のベース電位（接地電位）に固定される内側ポンプ電極
１１４側に汲み出すようにする。

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
出ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ₂ 、ＳＯ₂、ＣＯ
₂ 、Ｈ₂ Ｏ等のガス成分を測定するガスセンサ及びガス
センサの制御方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近時、図８に示すような酸素イオン伝導
体を用いたガスセンサ１０Ａが知られている（例えば特
開平８−２７１４７６号公報参照）。

【０００３】このガスセンサ１０Ａは、外部空間に存在
する被測定ガスを第１の拡散律速手段１２を通じて第１
空所１４に導き、内側ポンプ電極１６、酸素イオン伝導
体１８及び外側ポンプ電極２０で構成される第１の酸素
ポンプ手段２２により、第１空所１４における被測定ガ
ス中の酸素を測定対象の窒素酸化物が分解しない程度に
汲み出し、又は汲み入れを行う。

【０００４】次いで、第１空所１４内の被測定ガスを第
２の拡散律速手段２４を通じて第２空所２６に導き、該
第２空所２６に配置された測定ガス分解電極２８、酸素
イオン伝導体３０、基準空気部３２に配置された基準電
極３４で構成される第２の酸素ポンプ手段３６により、
測定ガス分解電極２８の触媒作用、あるいは電圧印加に
よる電気分解によって分解発生した酸素を汲み出し、該
第２の酸素ポンプ手段３６にて汲み出すのに要した電流
値を測定して窒素酸化物を間接的に測定するようにして
いる。

【０００５】このガスセンサ１０Ａの実用例としては、
被測定ガスに結合酸素を有するＮＯｘセンサ、Ｈ₂ Ｏセ
ンサ、ＣＯ₂ センサ等がある。

【０００６】ＮＯｘセンサとして適用する場合は、測定
ガス分解電極２８にＲｈ、Ｐｔ等を用いることによっ
て、ＮＯｘを触媒分解し、その分解時に発生した酸素を
ポンプ電流として検出し、あるいは電圧変化として検出
するようにしている。

【０００７】Ｈ₂ ＯセンサやＣＯ₂ センサとして適用す
る場合は、触媒分解が困難であるため、第２の酸素ポン
プ手段３６に、それぞれのガスが分解する電圧を印加
し、該電圧印加に伴って生じた電気分解によって発生し
た酸素をポンプ電流として検出するようにしている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前記従来の
ガスセンサ１０Ａにおいては、第１の酸素ポンプ手段２
２を制御するための直流電源３８と第２の酸素ポンプ手
段３６を制御する直流電源４０のＧＮＤラインを共通に
することはできない。その理由は、外側ポンプ電極２０
から測定ガス分解電極２８にリーク電流が流れたり、測
定ガス分解電極２８から内側ポンプ電極１６にリーク電
流が流れたりするからである。

【０００９】酸素イオン伝導体中に電流が流れると、酸
素の移動が起こり、それに伴って、制御が不安定になっ
たり、測定用のポンプ電流に影響を与え、測定ができな
くなるおそれがある。

【００１０】従って、前記従来のガスセンサ１０Ａにお
いては、第１及び第２の酸素ポンプ手段２２及び３６の
駆動用として、互いに絶縁した直流電源が２個必要とな
る。

【００１１】一方、図９示すガスセンサ１０Ｂが提案さ
れている。このガスセンサ１０Ｂは、第２空所２６内に
補助ポンプ電極４２を設けて、補助ポンプ電極４２／酸
素イオン伝導体（１８、４４及び３０）／基準電極３４
で、第３の酸素ポンプ手段（即ち、補助ポンプ手段）４
６を構成させ、これによって、第１空所１４により微量
に拡散侵入する酸素を再度汲み出し、測定精度（特に酸
素濃度依存性）を大きく改善させたものである（特願平
７−２７２８２６号）。

【００１２】この提案例に係るガスセンサ１０Ｂは、補
助ポンプ手段４６が付加されたことと相俟って、互いに
絶縁独立した直流電源が３個も必要となる。図１０は、
図９の提案例に係るガスセンサ１０Ｂの制御回路系を示
したものであるが、互いに絶縁独立した３つの直流電源
（第１の直流電源５０Ａ、第２の直流電源５０Ｂ及び第
３の直流電源５０Ｃ）を用いて第１、第２及び第３の酸
素ポンプ手段２２、３６及び４６を制御している。

【００１３】第１の直流電源５０Ａは、前記第１の酸素
ポンプ手段２２を制御するためのポンプ制御回路５２の
電源として用いられ、該ポンプ制御回路５２は、測定電
極５４及び基準電極３４間の起電力を第１の比較器５６
で検出し、次いで目標とする電圧（例えば３００ｍＶ）
との差を第２の比較器５８により求め、その差の電圧を
増幅器６０により増幅し、該増幅電圧を制御電圧Ｅ₀ と
して第１の酸素ポンプ手段２２における外側ポンプ電極
２０及び内側ポンプ電極１６間に印加することによっ
て、第１の酸素ポンプ手段２２を制御するようにしてい
る。

【００１４】第２の直流電源５０Ｂは、補助ポンプ手段
（第３の酸素ポンプ手段）４６に電圧Ｅ₁ を供給するた
めの電源として用いられ、具体的には、ツェナーダイオ
ード６２により定電圧を得た後、補助ポンプ手段４６に
印加する電圧Ｅ₁ を分圧回路６４で作り、補助ポンプ手
段４６に印加するようにしている。

【００１５】第３の直流電源５０Ｃは、第２の酸素ポン
プ手段３６に電圧Ｅ₂ を供給するための電源として用い
られ、前記第２の直流電源５０Ｂと同様の方法により、
第２の酸素ポンプ手段３６に供給するための電圧Ｅ₂ を
作り、該第２の酸素ポンプ手段３６に供給するようにし
ている。

【００１６】前記３つの互いに絶縁独立した直流電源
（以下、絶縁型電源と記し、絶縁独立が必要のない電源
を非絶縁型電源と記す）５０Ａ、５０Ｂ及び５０Ｃは、
図１１に示すように、基本的にバッテリ（例えばカーバ
ッテリの場合は１２Ｖ）７０の後段に発振回路７２、絶
縁型変圧器７４及び整流回路７６が接続されて構成され
る。この場合、非絶縁型電源がトランジスタやオペアン
プ等の半導体部品のみで構成できるのに対し、前記絶縁
型電源は変圧器７４を必要とするため、ガスセンサ１０
Ａ及び１０ＢＢにおける制御回路系の小型化、軽量化が
困難になり、しかも、製造コストが高価になるという不
都合が懸念される。

【００１７】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、複数の直流電源における基準電位のライ
ン（例えばＧＮＤライン）を共通にすることができ、絶
縁独立した直流電源（絶縁型電源）の個数を最小限にと
どめることが可能で、ガスセンサの制御回路系の小型
化、軽量化を促進させることができるガスセンサ及びガ
スセンサの制御方法を提供することを目的とする。

【００１８】

【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にて区
画形成された処理空間に導入された前記外部空間からの
被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記
処理空間における酸素分圧を測定対象である所定ガス成
分が分解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段
と、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被
測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又
は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸
素をポンピング処理する検出用ポンプ手段とを具備し、
前記検出用ポンプ手段のポンピング処理によって該検出
用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定
ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサであっ
て、前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素を、前記
主ポンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出
すように構成する。

【００１９】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、酸素が主ポンプ手段によってポン
ピング処理され、該酸素は所定濃度に調整される。前記
主ポンプ手段にて酸素の濃度が調整された被測定ガス
は、次の検出用ポンプ手段に導かれる。検出用ポンプ手
段は、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の
被測定ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／
又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した
酸素をポンピング処理する。前記検出用ポンプ手段によ
りポンピング処理される酸素の量に応じて該検出用ポン
プ手段に生じるポンプ電流に基づいて、酸素量に応じた
所定ガス成分が測定される。

【００２０】特に、本発明においては、前記所定ガス成
分の測定時において、前記検出用ポンプ手段により汲み
出される酸素が前記主ポンプ手段のベース電位に固定さ
れる電極側に汲み出される。

【００２１】その結果、検出用ポンプ手段を駆動するた
めに、絶縁独立した直流電源を必要としなくなり、絶縁
型トランスを用いない非絶縁型電源にて駆動電圧を作成
することができる。これは、ガスセンサの制御回路系の
小型化、軽量化の促進につながる。

【００２２】そして、前記主ポンプ手段を、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
側主ポンプ電極と外側主ポンプ電極を有して構成し、前
記検出用ポンプ手段を、固体電解質と該固体電解質に接
して形成された内側検出用ポンプ電極及び外側検出用ポ
ンプ電極を有して構成し、前記主ポンプ手段におけるい
ずれか一方のポンプ電極と前記検出用ポンプ手段におけ
る前記外側検出用ポンプ電極とを共用とし、かつ、前記
いずれか一方のポンプ電極をベース電位に固定するよう
にしてもよい（請求項２記載の発明）。

【００２３】この場合、検出用ポンプ手段を通じて酸素
を汲み出すにあたっては、前記内側検出用ポンプ電極及
び外側検出用ポンプ電極間に印加される検出用電圧は、
主ポンプ手段における内側主ポンプ電極及び外側主ポン
プ電極に対して負の電圧が印加されることになる。

【００２４】その結果、主ポンプ手段の内側主ポンプ電
極及び外側主ポンプ電極間に印加すべき制御電圧の電源
と、検出用ポンプ手段の内側検出用ポンプ電極及び外側
検出用ポンプ電極間に印加すべき検出用電圧の電源の各
基準ライン（ベース電位に固定されたライン）を共通に
することが可能となる。

【００２５】これにより、主ポンプ手段のいずれか一方
のポンプ電極と検出用ポンプ手段における外側検出用ポ
ンプ電極が共用（共通）とされ、該共通電極を例えばＧ
ＮＤラインに接続することにより、検出用ポンプ手段を
駆動するための電源として、半導体部品を用いた非絶縁
型電源を使用することができる。

【００２６】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にて区画形成され
た処理空間に導入された前記外部空間からの被測定ガス
に含まれる酸素をポンピング処理して、前記処理空間に
おける酸素分圧を測定対象である所定ガス成分が分解さ
れ得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、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中に
含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解に
より分解させ、該分解によって発生した酸素の量と基準
ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生す
る濃度検出手段とを具備し、前記濃度検出手段にて検出
された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定ガ
ス成分を測定するガスセンサであって、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中に含まれ
る酸素を、前記主ポンプ手段のベース電位に固定される
電極側に汲み出す補助ポンプ手段を設けて構成する。

【００２７】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、酸素が主ポンプ手段によってポン
ピング処理され、該酸素は所定濃度に調整される。前記
主ポンプ手段にて酸素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、被測定ガス中に含まれる所定ガス成分の分解によっ
て発生された酸素の量と外側検出電極側のガスに含まれ
る酸素の量との差に応じた酸素濃淡電池起電力が内側検
出電極及び外側検出電極間に発生し、該起電力が電圧検
出手段により検出されることで、酸素量に応じた所定ガ
ス成分が測定される。

【００２８】特に、本発明においては、主ポンプ手段に
て酸素濃度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酸素濃度が微調整されること
になる。

【００２９】一般に、外部空間における被測定ガス中の
酸素濃度が大きく（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酸素濃度分布が大
きく変化し、濃度検出手段の処理空間に導かれる酸素量
も変化する。

【００３０】このとき、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酸素濃度は、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酸素の濃度変化
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）における酸素の濃度変化よりも大幅に縮
小されるため、濃度検出手段での所定ガス成分の測定を
精度よく一定に制御することができる。

【００３１】従って、濃度検出手段に導かれる所定ガス
成分は、前記被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる被測
定ガス）における酸素の濃度変化の影響を受け難くな
り、その結果、濃度検出手段にて発生する起電力は、前
記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響されず、被
測定ガス中に存在する所定ガス成分に正確に対応した値
となる。

【００３２】しかも、本発明においては、補助ポンプ手
段を通じて主ポンプ手段にてポンピング処理された後の
被測定ガス中に含まれる酸素を、前記主ポンプ手段のベ
ース電位に固定される電極側に汲み出すようにしている
ため、補助ポンプ手段を駆動するために、絶縁独立した
直流電源を必要としなくなり、絶縁型トランスを用いな
い非絶縁型電源にて前記検出用電圧を作成することがで
きる。これは、ガスセンサの制御回路系の小型化、軽量
化の促進につながる。

【００３３】そして、前記主ポンプ手段を、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
側主ポンプ電極と外側主ポンプ電極を有して構成し、前
記補助ポンプ手段を、固体電解質と該固体電解質に接し
て形成された内側補助ポンプ電極及び外側補助ポンプ電
極を有して構成し、前記主ポンプ手段におけるいずれか
一方のポンプ電極と前記補助ポンプ手段における前記外
側補助ポンプ電極とを共用とし、かつ、前記いずれか一
方のポンプ電極をベース電位に固定するようにしてもよ
い（請求項４記載の発明）。

【００３４】この場合、補助ポンプ手段を通じて酸素を
汲み出すにあたっては、前記内側補助ポンプ電極及び外
側補助ポンプ電極間に印加される補助電圧は、主ポンプ
手段における内側主ポンプ電極及び外側主ポンプ電極に
対して負の電圧が印加されることになる。

【００３５】その結果、主ポンプ手段の内側主ポンプ電
極及び外側主ポンプ電極間に印加すべき制御電圧の電源
と、補助ポンプ手段の内側補助ポンプ電極及び外側補助
ポンプ電極間に印加すべき補助電圧の電源の各基準ライ
ン（ベース電位に固定されたライン）を共通にすること
が可能となる。

【００３６】これにより、主ポンプ手段のいずれか一方
のポンプ電極と補助ポンプ手段における外側補助ポンプ
電極が共用（共通）とされ、該共通電極を例えばＧＮＤ
ラインに接続することにより、補助ポンプ手段を駆動す
るための電源として、半導体部品を用いた非絶縁型電源
を使用することができる。

【００３７】そして、前記構成において、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
まれる酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に
応じた起電力を発生する主ポンプ用濃度測定手段と、前
記起電力に基づいて、前記主ポンプ手段の内側主ポンプ
電極と外側主ポンプ電極間に印加される制御電圧のレベ
ルを調整して前記主ポンプ手段でのポンピング処理を制
御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）。

【００３８】これにより、前記主ポンプ用濃度測定手段
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酸素の量と基準ガスに含
まれる酸素の量との差に応じた起電力が発生する。そし
て、主ポンプ制御手段を通じ、前記起電力に基づいて、
前記主ポンプ手段における内側主ポンプ電極及び外側主
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。

【００３９】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、酸素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
おける酸素の濃度は、所定レベルにフィードバック制御
されることとなる。この場合、例えば主ポンプ手段での
処理雰囲気中の酸素分圧が、所定ガス成分が分解され得
ない所定の値に制御される。

【００４０】また、前記構成において、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
前記所定ガス成分の分解時に発生する酸素の量と基準ガ
スに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を発生する
検出用濃度測定手段と、前記起電力に基づいて、前記検
出用ポンプ手段の前記内側検出用ポンプ電極と外側検出
用ポンプ電極間に印加される検出用電圧のレベルを調整
して前記検出用ポンプ手段でのポンピング処理を制御す
る検出用ポンプ制御手段を設けるようにしてもよい（請
求項６記載の発明）。

【００４１】これにより、前記検出用濃度測定手段にお
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ガス成分の分解時に発生
する酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応
じた起電力が発生する。

【００４２】そして、検出用ポンプ制御手段を通じ、前
記起電力に基づいて、前記検出用ポンプ手段における内
側検出用ポンプ電極及び外側検出用ポンプ電極間に印加
される検出用電圧のレベルが調整される。

【００４３】検出用ポンプ手段は、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中に含まれる所
定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解により分解さ
せ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する
わけだが、前記レベル調整された検出用電圧の検出用ポ
ンプ手段への供給によって、被測定ガス中の所定ガス成
分が分解され得る所定の値にフィードバック制御され
る。

【００４４】また、前記構成において、固体電解質と該
固体電解質に接して形成された内側補助ポンプ電極と外
側補助ポンプ電極とを有し、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に含まれる酸素
を、前記主ポンプ手段側に汲み出す補助ポンプ手段を設
けるようにしてもよい（請求項７記載の発明）。

【００４５】これにより、検出用ポンプ手段と補助ポン
プ手段とを有することとなり、請求項３記載の発明と同
様に、主ポンプ手段にて酸素濃度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酸素濃
度が微調整されることになる。

【００４６】従って、検出用ポンプ手段に導かれる所定
ガス成分は、前記被測定ガス（主ポンプ手段に導かれる
被測定ガス）における酸素の濃度変化の影響を受け難く
なり、その結果、検出用ポンプ手段を流れるポンプ電流
は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変化に影響され
ず、被測定ガス中に存在する所定ガス成分に正確に対応
した値となる。

【００４７】また、前記構成において、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
酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた
起電力を発生する補助濃度測定手段と、前記起電力に基
づいて、前記補助ポンプ手段の前記内側補助ポンプ電極
と外側補助ポンプ電極間に印加される補助ポンプ電圧の
レベルを調整して前記補助ポンプ手段でのポンピング処
理を制御する補助ポンプ制御手段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、前記補助濃度測定手段におい
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酸素の量と基準ガスに含まれる酸素
の量との差に応じた起電力が発生する。そして、補助ポ
ンプ制御手段を通じ、前記起電力に基づいて、前記補助
ポンプ手段における内側補助ポンプ電極及び外側補助ポ
ンプ電極間に印加される補助ポンプ電圧のレベルが調整
される。

【００４９】補助ポンプ手段は、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のうち、酸素を補
助ポンプ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補助ポンプ電圧の補助ポンプ
手段への供給によって、前記被測定ガスにおける酸素の
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。

【００５０】そして、前記構成において、前記補助ポン
プ手段における外側補助ポンプ電極と前記主ポンプ手段
のベース電位に固定される電極とを共用にすることが望
ましい（請求項９記載の発明）。

【００５１】この場合、補助ポンプ手段を通じて酸素を
汲み出すにあたっては、前記内側補助ポンプ電極及び外
側補助ポンプ電極間に印加される補助電圧は、主ポンプ
手段における内側主ポンプ電極及び外側主ポンプ電極に
対して負の電圧が印加されることになる。

【００５２】その結果、主ポンプ手段の内側主ポンプ電
極及び外側主ポンプ電極間に印加すべき制御電圧の電源
と、補助ポンプ手段の内側補助ポンプ電極及び外側補助
ポンプ電極間に印加すべき補助電圧の電源の各基準ライ
ン（ベース電位に固定されたライン）を共通にすること
が可能となる。

【００５３】次に、請求項１０記載の本発明に係るガス
センサの制御方法は、主ポンプ手段を用いて、外部空間
に接する固体電解質にて区画形成された処理空間に導入
された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素を
ポンピング処理して、前記処理空間における酸素分圧を
測定対象である所定ガス成分が分解され得ない所定の値
に制御し、検出用ポンプ手段を用いて、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
所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解により分解
し、分解時に発生した酸素をポンピング処理し、前記検
出用ポンプ手段のポンピング処理によって該検出用ポン
プ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定ガス中
の所定ガス成分を測定するガスセンサの制御方法であっ
て、前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素を、前記
主ポンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出
すようにする。

【００５４】これにより、検出用ポンプ手段において、
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
ガスに含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気
分解により分解し、分解時に発生した酸素がポンピング
処理され、それによって生じるポンプ電流が検出される
ことで、酸素量に応じた所定ガス成分が測定される。

【００５５】特に、本発明に係るガスセンサの制御方法
においては、前記所定ガス成分の測定時において、前記
検出用ポンプ手段により汲み出される酸素を前記主ポン
プ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出すよう
にしている。その結果、検出用ポンプ手段を駆動するた
めに、絶縁独立した直流電源を必要としなくなり、絶縁
型トランスを用いない非絶縁型電源にて駆動電圧を作成
することができる。これは、ガスセンサの制御回路系の
小型化、軽量化の促進につながる。

【００５６】そして、前記方法において、検出用濃度測
定手段を用いて、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ガス成分の分
解時に発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量
との差に応じた起電力を測定し、前記検出用濃度測定手
段にて測定された起電力に基づいて前記検出用ポンプ手
段でのポンピング処理を調整するようにしてもよい（請
求項１１記載の発明）。

【００５７】また、前記方法において、補助ポンプ手段
を用いて、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酸素を、前記主ポンプ手段の
処理空間側に汲み出すようにしてもよい（請求項１２記
載の発明）。

【００５８】次に、請求項１３記載の本発明に係るガス
センサの制御方法は、主ポンプ手段を用いて、外部空間
に接する固体電解質にて区画形成された処理空間に導入
された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素を
ポンピング処理して、前記処理空間における酸素分圧を
測定対象である所定ガス成分が分解され得ない所定の値
に制御し、濃度検出手段を用いて、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
所定ガス成分を触媒作用及び／又は電気分解により分解
し、分解時に発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸
素の量との差に応じて発生する起電力を検出し、前記濃
度検出手段にて検出された起電力に基づいて前記被測定
ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサの制御
方法であって、補助ポンプ手段を用いて、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
る酸素を、前記主ポンプ手段のベース電位に固定される
電極側に汲み出すようにする。

【００５９】これにより、前記濃度検出手段において、
被測定ガス中に含まれる所定ガス成分の分解によって発
生された酸素の量と外側検出電極側のガスに含まれる酸
素の量との差に応じた酸素濃淡電池起電力が内側検出電
極及び外側検出電極間に発生し、該起電力が電圧検出手
段により検出されることで、酸素量に応じた所定ガス成
分が測定される。

【００６０】そして、前記所定ガス成分の測定時におい
て、前記主ポンプ手段にて酸素濃度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酸素
濃度が微調整されることになる。そのため、濃度検出手
段に導かれる所定ガス成分は、前記被測定ガス（主ポン
プ手段に導かれる被測定ガス）における酸素の濃度変化
の影響を受け難くなり、その結果、濃度検出手段にて発
生する起電力は、前記被測定ガスにおける酸素の濃度変
化に影響されず、被測定ガス中に存在する所定ガス成分
に正確に対応した値となる。

【００６１】しかも、本発明においては、補助ポンプ手
段を通じて主ポンプ手段にてポンピング処理された後の
被測定ガス中に含まれる酸素を、前記主ポンプ手段のベ
ース電位に固定される電極側に汲み出すようにしている
ため、補助ポンプ手段を駆動するために、絶縁独立した
直流電源を必要としなくなり、絶縁型トランスを用いな
い非絶縁型電源にて駆動電圧を作成することができる。
これは、ガスセンサの制御回路系の小型化、軽量化の促
進につながる。

【００６２】そして、前記方法において、補助濃度測定
手段を用いて、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酸素の量と基準ガスに含
まれる酸素の量との差に応じた起電力を測定し、前記補
助濃度測定手段にて測定された起電力に基づいて前記補
助ポンプ手段でのポンピング処理を調整するようにして
もよい（請求項１４記載の発明）。

【００６３】また、主ポンプ用濃度測定手段を用いて、
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酸素の量と基準ガスに含まれる酸素
の量との差に応じた起電力を測定し、前記主ポンプ用濃
度測定手段にて測定された起電力に基づいて、前記主ポ
ンプ手段でのポンピング処理を調整するようにしてもよ
い（請求項１５記載の発明）。

【００６４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスセンサ及
びガスセンサの制御方法を例えば車両の排気ガスや大気
中に含まれるＮＯ、ＮＯ₂ 、ＳＯ₂ 、ＣＯ₂ 、Ｈ₂ Ｏ等
のガス成分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７を参照しながら説明する。

【００６５】まず、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１００Ａは、図１及び図２に示すように、全体として、
長尺な板状体形状に構成されており、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スよりなる
例えば６枚の固体電解質層１０２ａ〜１０２ｆ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１０２ａ及び１０２ｂ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１０２ｃ及び１０
２ｅ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１０２ｄ及び１０２ｆとされている。

【００６６】具体的には、第２の基板層１０２ｂ上に第
１のスペーサ層１０２ｃが積層され、更に、この第１の
スペーサ層１０２ｃ上に第１の固体電解質層１０２ｄ、
第２のスペーサ層１０２ｅ及び第２の固体電解質層１０
２ｆが順次積層されている。

【００６７】第２の基板層１０２ｂと第１の固体電解質
層１０２ｄ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）
１０４が、第１の固体電解質層１０２ｄの下面、第２の
基板層１０２ｂの上面及び第１のスペーサ層１０２ｃの
側面によって区画、形成されている。

【００６８】また、第１及び第２の固体電解質層１０２
ｄ及び１０２ｆ間に第２のスペーサ層１０２ｅが挟設さ
れると共に、第１及び第２の拡散律速部１０６及び１０
８が挟設されている。

【００６９】そして、第２の固体電解質層１０２ｆの下
面、第１及び第２の拡散律速部１０６及び１０８の側面
並びに第１の固体電解質層１０２ｄ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１１０が
区画、形成され、第２の固体電解質層１０２ｆの下面、
第２の拡散律速部１０８の側面、第２のスペーサ層１０
２ｅの側面並びに第１の固体電解質層１０２ｄ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１１２が区画、形成される。

【００７０】外部空間と前記第１室１１０は、第１の拡
散律速部１０６を介して連通され、第１室１１０と第２
室１１２は、前記第２の拡散律速部１０８を介して連通
されている。

【００７１】ここで、前記第１及び第２の拡散律速部１
０６及び１０８は、第１室１１０及び第２室１１２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（例えばＺｒＯ₂ 等からなる多孔
質体）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。また、印刷による多孔質層も
しくは空隙層にて構成してもよい。なお、第１及び第２
の拡散律速部１０６及び１０８における各拡散抵抗の大
小関係は、ここでは問わないが、第２の拡散律速部１０
８の拡散抵抗が第１の拡散律速部１０６より大きい方が
好ましい。

【００７２】そして、前記第２の拡散律速部１０８を通
じて、第１室１１０内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に
第２室１１２内に導入される。

【００７３】また、前記第２の固体電解質層１０２ｆの
下面のうち、前記第１室１１０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１１４が形成され、前記第２の固体電解質層１
０２ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極１１４に対応
する部分に、外側ポンプ電極１１６が形成されており、
これら内側ポンプ電極１１４、外側ポンプ電極１１６並
びにこれら両電極１１４及び１１６間に挟まれた第２の
固体電解質層１０２ｆにて電気化学的なポンプセル、即
ち、主ポンプセル１１８が構成されている。

【００７４】そして、前記主ポンプセル１１８における
内側ポンプ電極１１４と外側ポンプ電極１１６間に、外
部の可変電源１２０を通じて所望の制御電圧（ポンプ電
圧）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極１１６と内側ポ
ンプ電極１１４間に正方向あるいは負方向にポンプ電流
Ｉｐ１を流すことにより、前記第１室１１０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１１０内に汲み入れることができるよ
うになっている。

【００７５】また、前記第１の固体電解質層１０２ｄの
上面のうち、前記第１室１１０を形づくる上面であっ
て、かつ第２の拡散律速部１０８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
１２２が形成され、前記第１の固体電解質層１０２ｄの
下面のうち、基準ガス導入空間１０４に露呈する部分に
基準電極１２４が形成されており、これら測定電極１２
２、基準電極１２４及び第１の固体電解質層１０２ｄに
よって、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分
圧測定セル１２６が構成されている。

【００７６】この制御用酸素分圧測定セル１２６は、第
１室１１０内の雰囲気と基準ガス導入空間１０４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１２２と基準電極１２４との間に発生する起電力を電
圧計１２８にて測定することにより、前記第１室１１０
内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。

【００７７】即ち、基準電極１２４及び測定電極１２２
間に生じる電圧Ｖ０は、基準ガス導入空間１０４に導入
される基準ガスの酸素分圧と、第１室１１０内の被測定
ガスの酸素分圧との差に基づいて生じる酸素濃淡電池起
電力であり、ネルンストの式として知られる Ｖ０＝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 ）：第１室１１０内の酸素分圧 Ｐ０（Ｏ₂ ）：基準ガスの酸素分圧 の関係を有している。そこで、前記ネルンストの式に基
づく電圧Ｖ０を電圧計１２８によって測定することで、
第１室１１０内の酸素分圧を検出することができる。

【００７８】前記検出された酸素分圧値は可変電源１２
０のポンプ電圧Ｖｐ１をフィードバック制御系１３０を
通じて制御するために使用され、具体的には、第１室１
１０内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室１１２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１１８のポンプ動作が制御さ
れる。

【００７９】なお、前記主ポンプセル１１８における内
側ポンプ電極１１４及び外側ポンプ電極１１６並びに制
御用酸素分圧測定セル１２６における測定電極１２２
は、ガスセンサ１００Ａ内に導入された被測定ガス中の
ＮＯｘ、例えば、ＮＯに対する触媒活性が低い不活性材
料により構成される。特に、前記内側ポンプ電極１１４
及び測定電極１２２は、多孔質サーメット電極にて構成
することができ、この場合、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１１０内に配置される内側ポンプ
電極１１４及び測定電極１２２は、測定ガス中のＮＯ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、Ａ
ｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にす
ることが好ましい。

【００８０】また、前記第１の固体電解質層１０２ｄの
上面のうち、前記第２室１１２を形づくる上面に、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１
３２が形成されている。そして、該検出電極１３２、前
記主ポンプセル１１８における内側ポンプ電極１１４、
第１の固体電解質層１０２ｄ、第２のスペーサ層１０２
ｅ及び第２の固体電解質層１０２ｆによって、電気化学
的なポンプセル、即ち、検出用ポンプセル１３４が構成
される。

【００８１】前記検出電極１３２は、被測定ガス成分で
ある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、これによって、第２室１１２内の雰囲気中に存在
するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するほ
か、前記内側ポンプ電極１１４との間に、可変電源１３
６を通じて検出用電圧Ｖｐ２が印加されることによっ
て、第２室１１２内の雰囲気中の酸素を第１室１１０内
に汲み出せるようになっている。この検出用ポンプセル
１３４のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２
は、電流計１３８によって検出されるようになってい
る。

【００８２】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ａにおいては、前記検出電極１３２、前記基
準電極１２４及び第１の固体電解質層１０２ｄによっ
て、電気化学的なセンサセル、即ち、検出制御用酸素分
圧測定セル１４０が構成される。

【００８３】この検出制御用酸素分圧測定セル１４０
は、前記制御用酸素分圧測定セル１２６と同様に、第２
室１１２内の雰囲気と基準ガス導入空間１０４内の基準
ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、検出電極
１３２と基準電極１２４との間に発生する起電力Ｖ１を
電圧計１４２にて測定することにより、前記第２室１１
２内の雰囲気の酸素分圧値が検出できるようになってい
る。

【００８４】前記検出された酸素分圧値は可変電源１３
６の検出用電圧Ｖｐ２をフィードバック制御系１４４を
通じて制御するために使用され、具体的には、前記検出
電極１３２によって分解されたＮＯｘから生成された酸
素を第２室１１２の外部に十分に汲み出すことができる
電圧値となるように制御される。

【００８５】この場合、第１室１１０における主ポンプ
セル１１８の働きにより、この第２室１１２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１１２における酸素分圧は精度
よく一定に制御される。

【００８６】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ａにおいては、第１及び第２の基板層１０２
ａ及び１０２ｂ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１４６が埋設され
ている。このヒータ１４６は、酸素イオンの伝導性を高
めるために設けられるもので、該ヒータ１４６の上下面
には、基板層１０２ａ及び１０２ｂとの電気的絶縁を得
るために、アルミナ等の絶縁層１４８が形成されてい
る。

【００８７】前記ヒータ１４６は、図２に示すように、
第１室１１０から第２室１１２の全体にわたって配設さ
れており、これによって、第１室１１０及び第２室１１
２がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセ
ル１１８、制御用酸素分圧測定セル１２６及び検出用ポ
ンプセル１３４も所定の温度に加熱、保持されるように
なっている。

【００８８】第１の実施の形態に係るガスセンサ１００
Ａは、基本的には以上のように構成されるものであり、
次にその作用効果について説明する。

【００８９】窒素酸化物の測定に先立ち、当該第１の実
施の形態に係るガスセンサ１００Ａを第１室１１０内に
被測定ガスが導入できる状態に設定する。次いで、ヒー
タ１４６に通電し、例えばガスセンサ１００Ａにおける
第１室１１０の第１及び第２の固体電解質層１０２ｄ及
び１０２ｆを７００℃〜９００℃に加熱すると共に、第
２室１１２の第１及び第２の固体電解質層１０２ｄ及び
１０２ｆを４００℃〜９００℃に加熱する。ガスセンサ
１００Ａをこのような温度状態に加熱することにより、
第１及び第２の固体電解質層１０２ｄ及び１０２ｆが所
望の状態に活性化されることになる。

【００９０】次に、前述のように設定したガスセンサ１
００Ａに対して被測定ガスを導入することにより、前記
被測定ガス中に含まれるＮＯｘ等の酸化物の測定を開始
する。

【００９１】第１の拡散律速部１０６を介して所定の拡
散抵抗のもとに第１室１１０内に導入された被測定ガス
は、可変電源１２０によって内側ポンプ電極１１４及び
外側ポンプ電極１１６間に印加されたポンプ電圧Ｖｐ１
によって、その中に含まれる酸素分圧が所定値に制御さ
れる。即ち、第１室１１０内の酸素分圧は、制御用酸素
分圧測定セル１２６の電圧計１２８によって検出される
基準電極１２４及び測定電極１２２間の電圧Ｖ０に基づ
いて測定することができる。この電圧Ｖ０は、前述した
ネルンストの式で規定される酸素濃淡電池起電力であ
り、この電圧Ｖ０が１５０ｍＶ〜３５０ｍＶとなるよう
にフィードバック制御系１３０を通じて可変電源１２０
のポンプ電圧Ｖｐ１を制御することで、第１室１１０内
の酸素分圧が所定値に制御される。

【００９２】第１室１１０において所定の酸素分圧に制
御された被測定ガスは、第１の拡散律速部１０６よりも
拡散抵抗が大きく設定された第２の拡散律速部１０８を
介して第２室１１２に導入される。

【００９３】第２室１１２では、検出電極１３２と内側
ポンプ電極１１４との間に当該第２室１１２内の酸素を
充分に汲み出すことができるような電圧値に制御された
検出用電圧Ｖｐ２が可変電源１３６（起電力Ｖ１によっ
て制御）を通じて印加されており、この検出用電圧Ｖｐ
２によって、被測定ガスに含まれるＮＯ、ＮＯ₂ 等のＮ
ＯｘがＲｈサーメットからなる酸化物分解触媒としての
検出電極１３２によって分解されるか、あるいは、検出
電極１３２とは別に存在する触媒で分解され、それによ
って発生した酸素が第２の固体電解質層１０２ｆを介し
て第１室１１０側に汲み出される。このとき、酸素イオ
ンの移動によって生じた電流値Ｉｐ２は、電流計１３８
によって測定され、この電流値Ｉｐ２から被測定ガス中
に含まれる所定の酸化物、例えば、ＮＯ、ＮＯ₂ 等のＮ
Ｏｘの濃度が測定されることになる。

【００９４】次に、図３を参照しながら前記第１の実施
の形態に係るガスセンサ１００Ａの制御回路系（以下、
単に第１の実施の形態に係る制御回路系と記す）１５０
Ａについて説明する。

【００９５】この第１の実施の形態に係る制御回路系１
５０Ａは、図３に示すように、主ポンプ制御回路１５２
と検出用ポンプ制御回路１５４を有して構成されてい
る。

【００９６】主ポンプ制御回路１５２は、測定電極１２
２の電位と接地電位との差（測定電圧Ｖａ）と、基準電
極１２４の電位と接地電位との差（基準電圧Ｖｂ）との
差分をとる第１の比較器１５６と、該第１の比較器１５
６の出力Ｖｃと目標電圧Ｖｄ（例えば３００ｍＶ）との
差分をとる第２の比較器１５８と、該第２の比較器１５
８の出力Ｖｅを所定のゲインにて増幅して外側ポンプ電
極１１６にポンプ電圧Ｖｐ１として出力する第１の増幅
器１６０を有して構成されている。

【００９７】前記検出用ポンプ制御回路１５４は、検出
電極１３２の電位と接地電位との差（検出電圧Ｖｆ）
と、基準電極３２の電位と接地電位との差（基準電圧Ｖ
ｂ）との差分をとる第３の比較器１６２と、該第３の比
較器１６２の出力Ｖｇと目標電圧Ｖｈ（例えば４５０ｍ
Ｖ）との差分をとる第４の比較器１６４と、該第４の比
較器１６４の出力Ｖｉを所定のゲインにて増幅して検出
電極１３２に検出用電圧Ｖｐ２として出力する第２の増
幅器１６６を有して構成されている。

【００９８】前記主ポンプ制御回路１５２を構成する第
１の比較器１５６、第２の比較器１５８及び第１の増幅
器１６０、並びに検出用ポンプ制御回路１５４を構成す
る第３の比較器１６２、第４の比較器１６４及び第２の
増幅器１６６は、いずれもオペアンプにて構成されてお
り、それぞれ一方の電源端子が直流電源１６８から引き
出された＋側電源ラインＬ１あるいは−側電源ラインＬ
２に接続され、他方の電源端子が直流電源１６８から引
き出されたＧＮＤラインＬｇに接続されている。また、
内側ポンプ電極１１４は前記ＧＮＤラインＬｇに接続さ
れている。

【００９９】これによって、前記主ポンプ制御回路１５
２においては、まず、被測定ガスが第１の拡散律速部１
０６を通じて第１室１１０に導入され、そのときの測定
電圧Ｖａと基準電圧Ｖｂが第１の比較器１５６に供給さ
れ、該第１の比較器１５６からは前記測定電圧Ｖａと基
準電圧Ｖｂとの差分電圧Ｖｃが出力される。この差分電
圧Ｖｃは、後段の第２の比較器１５８の例えば反転端子
に印加される。この第２の比較器１５８においては、反
転端子に供給される前記差分電圧Ｖｃと非反転端子に供
給される目標電圧Ｖｄ（例えば３００ｍＶ）との差分が
とられ、その出力端子からは、その差分を示す電圧信号
Ｖｅが出力される。そして、この電圧信号Ｖｅは、後段
の第１の増幅器１６０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１１８の外側ポン
プ電極１１６に供給される。この場合、内側ポンプ電極
１１４はＧＮＤラインＬｇに接続されて接地電位（０
Ｖ）とされていることから、結局、主ポンプセル１１８
の両電極１１４及び１１６間の電圧は、第１の増幅器１
６０からのポンプ電圧Ｖｐ１と等価とされる。

【０１００】この場合、直流電源１６８は、±の出力を
有しており、第１室１１０内の酸素濃度が第１室１１０
内の目標酸素濃度よりも低い場合は、外側ポンプ電極１
１６に負の電圧が印加され、これによって、外部空間の
酸素が第１室１１０内に汲み入れられる。逆に第１室１
１０内の酸素濃度が目標酸素濃度よりも高い場合は、外
側ポンプ電極１１６に正の電圧が印加され、これによっ
て、第１室１１０内の酸素が外部空間に汲み出されるこ
とになる。

【０１０１】即ち、主ポンプセル１１８は、第１室１１
０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、これらの一連の動作が繰り返されることによっ
て、第１室１１０内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。

【０１０２】一方、検出用ポンプ制御回路１５４におい
ては、第１室１１０内の被測定ガスが第２の拡散律速部
１０８を通じて第１室１１０に導入され、そのときの検
出電圧Ｖｆと基準電圧Ｖｂが第３の比較器１６２に供給
され、該第３の比較器１６２からは前記検出電圧Ｖｆと
基準電圧Ｖｂとの差分電圧Ｖｇが出力される。この差分
電圧Ｖｇは、後段の第４の比較器１６４の例えば反転端
子に印加される。この第２の比較器１６４においては、
反転端子に供給される前記差分電圧Ｖｇと非反転端子に
供給される目標電圧Ｖｈ（例えば４５０ｍＶ）との差分
がとられ、その出力端子からは、その差分を示す電圧信
号Ｖｉが出力される。そして、この電圧信号Ｖｉは、後
段の第２の増幅器１６６にて所定のゲインにて増幅され
て検出用電圧Ｖｐ２として検出用ポンプセル１３４の検
出電極１３２に供給される。この場合、内側ポンプ電極
１１４がＧＮＤラインＬｇに接続されて接地電位（０
Ｖ）とされていることから、結局、検出用ポンプセル１
３４の両電極１１４及び１３２間の電圧は、第２の増幅
器１６６からの検出用電圧Ｖｐ２と等価とされる。

【０１０３】この場合、第２室１１２内の目標酸素濃度
を第１室１１０内の目標酸素濃度よりも低く設定してあ
るため、検出電極１３２には負の電圧が印加されること
になり、これによって、第２室１１２内の酸素は第２の
固体電解質層１０２ｆを通じて第１室１１０内に汲み出
されることになる。

【０１０４】このように、前記第１実施の形態に係るガ
スセンサ１００Ａにおいては、検出用ポンプセル１３４
により汲み出す酸素を、主ポンプセル１１８における内
側ポンプ電極１１４及び外側ポンプ電極１１６のうち、
直流電源１６８のＧＮＤラインＬｇに接続される内側ポ
ンプ電極１１４側に汲み出す、即ち、第１室１１０内に
汲み出すようにしているため、検出用ポンプセル１３４
を通じて酸素を汲み出すにあたっては、検出電極１３２
に負の電圧が印加されることになる。

【０１０５】これにより、主ポンプセル１１８における
外側ポンプ電極１１６及び内側ポンプ電極１１４間に印
加すべきポンプ電圧Ｖｐ１の電源と、検出用ポンプセル
１３４における検出電極１３２と内側ポンプ電極１１４
間に印加すべき検出用電圧Ｖｐ２の電源の各基準ライン
（ＧＮＤラインＬｇ）を共通にすることが可能となる。

【０１０６】その結果、検出用ポンプセル１３４を駆動
するために、絶縁独立した直流電源（絶縁型電源）を別
途必要としなくなり、絶縁型変圧器を用いない非絶縁型
電源にて前記検出用電圧Ｖｐ２を作成することができ
る。これは、ガスセンサ１００Ａの制御回路系１５０Ａ
の小型化、軽量化の促進、ひいてはガスセンサ１００Ａ
自体の小型化、軽量化の促進につながる。

【０１０７】特に、前記第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ａにおいては、主ポンプセル１１８における
電位的に基準となる電極と、検出用ポンプセル１３４に
おける電位的に基準となる電極を、共に内側ポンプ電極
１１４として共通化したので、該内側ポンプ電極１１４
を本例のように、ＧＮＤラインＬｇに接続することによ
り、検出用ポンプセル１３４を駆動するための電源とし
て、半導体部品を用いた非絶縁型電源を使用することが
可能となる。

【０１０８】つまり、従来では、図１０に示すように、
直流電源あるいは直流電源につながるＤＣ−ＤＣコンバ
ータを制御回路（ポンプ制御回路５２）及び電源電圧生
成回路（電圧Ｅ１及びＥ２の生成回路）の数分だけ揃え
る必要があったが、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ａにおいては、制御回路（主ポンプ制御回路
１５２及び検出用ポンプ制御回路１５４）の数よりも少
ない数の直流電源１６８あるいはＤＣ−ＤＣコンバータ
を揃えればよく、特に、１つの直流電源１６８のみ、あ
るいは１つの直流電源１６８につながる１つのＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータのみを揃えるだけで、各制御回路（１５
２、１５４）への電源供給を行わせることが可能とな
る。

【０１０９】次に、図４を参照しながら第１の実施の形
態に係るガスセンサ１００Ａの変形例について説明す
る。なお、図２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。

【０１１０】この変形例に係るガスセンサ１００Ａａ
は、図４に示すように、前記第１の実施の形態に係るガ
スセンサ１００Ａ（図２参照）とほぼ同様の構成を有す
るが、主ポンプセル１１８における内側ポンプ電極１１
４が制御用酸素分圧測定セル１２６における測定電極１
２２（図２参照）を兼用している点で異なる。従って、
この変形例に係るガスセンサ１００Ａａにおいては前記
測定電極１２２は存在しない。

【０１１１】この変形例に係るガスセンサ１００Ａａの
動作を説明すると、まず、被測定ガスが第１室１１０内
に導入され、そのときの主ポンプセル１１８における内
側ポンプ電極１１４と基準ガス導入空間１０４側に形成
された基準電極１２４との間の両端電圧Ｖ０が電圧計１
２８によって測定され、この測定電圧Ｖ０に基づいて可
変電源１２０がフィードバック制御される。これによっ
て、第１室１１０内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室
１１２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１１８のポンプ
動作が制御される。

【０１１２】この場合、制御用酸素分圧測定セル１２６
の電圧計１２８にて検出される測定電圧Ｖ０を内側ポン
プ電極１１４と基準電極１２４との間の両端電圧Ｖ０と
している。そのため、主ポンプセル１１８による酸素の
汲み出し量が変化して、第１室１１０内における雰囲気
の酸素濃度が変化すると、主ポンプセル１１８の内側ポ
ンプ電極１１４と基準電極１２４間の両端電圧Ｖ０が時
間遅れなく変化するため、可変電源１２０に対するフィ
ードバック制御系１３０は、発振現象を生じることな
く、高精度に第１室１１０内の酸素濃度を制御すること
ができる。

【０１１３】この変形例に係るガスセンサ１００Ａａに
おいては、（内側ポンプ電極１１４と第２の固体電解質
層１０２ｆ間の界面抵抗）×（主ポンプセル１１８に流
れるポンプ電流Ｉｐ１）が前記制御用酸素分圧測定セル
１２６での起電力測定の誤差となるため、図３に示す主
ポンプ制御回路１５２の第２の比較器１５８において、
第１の比較器１５６からの出力Ｖｃと比較すべき目標電
圧Ｖｄを、前記誤差分を考慮した目標電圧値に補正する
ことが望ましい。

【０１１４】次に、図５を参照しながら第２の実施の形
態に係るガスセンサ１００Ｂについて説明する。なお、
図２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。

【０１１５】この第２の実施の形態に係るガスセンサ１
００Ｂは、図５に示すように、前記第１の実施の形態に
係るガスセンサ１００Ａ（図２参照）とほぼ同様の構成
を有するが、補助ポンプセル１７０と補助用酸素分圧測
定セル１７２が設けられている点で異なる。

【０１１６】この補助ポンプセル１７０は、第２の固体
電解質層１０２ｆの下面のうち、第２室１１２を形づく
る下面全面に形成された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１７４と、前記主ポン
プセル１１８における内側ポンプ電極１１４と、第２の
固体電解質層１０２ｆにて構成されている。

【０１１７】前記補助ポンプ電極１７４は、前記主ポン
プセル１１８における内側ポンプ電極１１４と同様に、
被測定ガス中のＮＯ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ている。この場合、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。

【０１１８】そして、前記補助ポンプセル１７０におけ
る補助ポンプ電極１７４と内側ポンプ電極１１４間に、
可変電源１７６を通じて補助ポンプ電圧Ｖｐ３を印加す
ることにより、第２室１１２内の雰囲気中の酸素を第１
室１１０側に汲み出せるようになっている。

【０１１９】また、補助用酸素分圧測定セル１７２は、
前記補助ポンプ電極１７４及び前記基準電極１２４並び
に第２の固体電解質層１０２ｆ、第２のスペーサ層１０
２ｅ及び第１の固体電解質層１０２ｄにて構成されてい
る。

【０１２０】前記補助用酸素分圧測定セル１７２は、前
記制御用酸素分圧測定セル１２６と同様に、第２室１１
２内の雰囲気と基準ガス導入空間１０４内の基準ガス
（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、補助ポンプ電
極１７４と基準電極１２４との間に発生する起電力Ｖ２
を電圧計１７８にて測定することにより、前記第２室１
１２内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになってい
る。

【０１２１】前記検出された酸素分圧値は可変電源１７
６の補助ポンプ電圧Ｖｐ３をフィードバック制御系１８
０を通じて制御するために使用され、第２室１１２内の
雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯ
ｘ）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なるよ
うに制御される。具体的には、前記可変電源１７６は、
補助ポンプセル１７０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値に制御さ
れる。この場合、補助ポンプセル１７０による酸素の汲
み出し量が変化して、第２室１１２内における雰囲気の
酸素濃度が変化すると、補助ポンプ電極１７４と基準電
極１２４間の両端電圧Ｖ２が時間遅れなく変化するた
め、可変電源１７６に対するフィードバック制御系１８
０は、発振現象を生じることなく、高精度に第２室１１
２内の酸素濃度を制御することができる。

【０１２２】ところで、前記主ポンプセル１１８を動作
させて第１室１１０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、制御用酸素分圧測定セル１２６に
て検出される電圧Ｖ０が一定となるように、フィードバ
ック制御系１３０を通じて可変電源１２０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１１
２内の雰囲気及び検出電極１３２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１２２上の第１
室１１０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。

【０１２３】しかし、この第２の実施の形態に係るガス
センサ１００Ｂにおいては、第２室１１２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１７０を設けるようにし
ているため、第１室１１０から第２室１１２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１７０のポンプ動作によ
って、第２室１１２内における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。

【０１２４】そして、検出電極１３２に導入された被測
定ガスのＮＯｘは、該検出電極１３２の周りにおいて還
元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ₂ ＋１／２Ｏ
₂ の反応が引き起こされる。このとき、検出用ポンプセ
ル１３４を構成する検出電極１３２と内側ポンプ電極１
１４との間には、酸素が第２室１１２から第１室１１０
側に汲み出される方向に、所定の電圧Ｖｐ２、例えば４
３０ｍＶ（７００℃）が印加される。

【０１２５】従って、検出用ポンプセル１３４に流れる
ポンプ電流Ｉｐ２は、第２室１１２に導かれる雰囲気中
の酸素濃度、即ち、第２室１１２内の酸素濃度と検出電
極１３２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。

【０１２６】この場合、第２室１１２内の雰囲気中の酸
素濃度は、補助ポンプセル１７０にて一定に制御されて
いることから、前記検出用ポンプセル１３４に流れるポ
ンプ電流Ｉｐ２は、ＮＯｘの濃度に比例することにな
る。この場合、検出電極１３２を被覆するように、第３
の拡散律速部を構成するアルミナ膜（図示せず）を形成
すれば、このＮＯｘの濃度は、第３の拡散律速部にて制
限されるＮＯｘの拡散量に対応することになり、被測定
ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、検出用ポン
プセル１３４から電流計１３８を通じて正確にＮＯｘ濃
度を測定することが可能となる。

【０１２７】例えば、補助ポンプセル１７０にて制御さ
れた第２室１１２内の雰囲気の酸素分圧が０．０２ｐｐ
ｍで、被測定ガス中のＮＯｘ成分たるＮＯ濃度が１００
ｐｐｍ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１１２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Ｉｐ２が流れることとなる。従って、検
出用ポンプセル１３４におけるポンプ電流値Ｉｐ２は、
ほとんどがＮＯ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。

【０１２８】次に、図６を参照しながら前記第２の実施
の形態に係るガスセンサ１００Ｂの制御回路系（以下、
単に第２の実施の形態に係る制御回路系）１５０Ｂにつ
いて説明する。なお、図３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。

【０１２９】この第２の実施の形態に係る制御回路系１
５０Ｂは、図６に示すように、前記第１の実施の形態に
係る制御回路系１５０Ａ（図３参照）とほぼ同様の構成
を有するが、前記補助ポンプセル１７０が付加されたこ
とに伴って、主ポンプ制御回路１５２と検出用ポンプ制
御回路１５４との間に、前記補助ポンプセル１７０を制
御するための補助ポンプ制御回路１８２が挿入接続され
ている点で異なる。

【０１３０】この補助ポンプ制御回路１８２は、図６に
示すように、補助ポンプ電極１７４の電位と接地電位と
の差（検出電圧Ｖｊ）と、基準電極１２４の電位と接地
電位との差（基準電圧Ｖｂ）との差分をとる第５の比較
器１８４と、該第５の比較器１８４の出力Ｖｋと目標電
圧Ｖｍ（例えば４５０ｍＶ）との差分をとる第６の比較
器１８６と、該第６の比較器１８６の出力Ｖｎを所定の
ゲインにて増幅して補助ポンプ電極１７４に補助ポンプ
電圧Ｖｐ３として出力する第３の増幅器１８８を有して
構成されている。

【０１３１】前記第５の比較器１８４、第６の比較器１
８６並びに第３の増幅器１８８は、前記主ポンプ制御回
路１５２を構成する第１の比較器１５６、第２の比較器
１５８及び第１の増幅器１６０、並びに検出用ポンプ制
御回路１５４を構成する第３の比較器１６２、第４の比
較器１６４及び第２の増幅器１６６と同様に、それぞれ
オペアンプにて構成されており、一方の電源端子が直流
電源１６８から引き出された＋側電源ラインＬ１あるい
は−側電源ラインＬ２に接続され、他方の電源端子が直
流電源１６８から引き出されたＧＮＤラインＬｇに接続
されている。この場合も、内側ポンプ電極１１４は前記
ＧＮＤラインＬｇに接続されている。

【０１３２】これにより、前記補助ポンプ制御回路１８
２においては、第１室１１０内の被測定ガスが第２の拡
散律速部１０８を通じて第１室１１０に導入され、その
ときの検出電圧Ｖｊと基準電圧Ｖｂが第５の比較器１８
４に供給され、該第５の比較器１８４からは前記検出電
圧Ｖｊと基準電圧Ｖｂとの差分電圧Ｖｋが出力される。
この差分電圧Ｖｋは、後段の第６の比較器１８６の例え
ば反転端子に印加される。この第６の比較器１８６にお
いては、反転端子に供給される前記差分電圧Ｖｋと非反
転端子に供給される目標電圧Ｖｍ（例えば４５０ｍＶ）
との差分がとられ、その出力端子からは、その差分を示
す電圧信号Ｖｎが出力される。そして、この電圧信号Ｖ
ｎは、後段の第３の増幅器１８８にて所定のゲインで増
幅されて補助ポンプ電圧Ｖｐ３として補助ポンプセル１
７０の補助ポンプ電極１７４に供給される。この場合、
内側ポンプ電極１１４がＧＮＤラインＬｇに接続されて
接地電位（０Ｖ）とされていることから、結局、補助ポ
ンプセル１７０の両電極１１４及び１７４間の電圧は、
第３の増幅器１８８からの補助ポンプ電圧Ｖｐ３と等価
とされる。

【０１３３】この場合、第２室１１２内の目標酸素濃度
を第１室１１０内の目標酸素濃度よりも低く設定してあ
るため、補助ポンプ電極１７４には負の電圧が印加され
ることになり、これによって、第２室１１２内の酸素は
第２の固体電解質層１０２ｆを通じて第１室１１０内に
汲み出されることになる。

【０１３４】即ち、補助ポンプセル１７０は、第２室１
１２に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記補助ポ
ンプ電圧Ｖｐ３のレベルに応じた量ほど第１室１１０に
汲み出し、これらの一連の動作が繰り返されることによ
って、第２室１１２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。

【０１３５】このように、前記第２の実施の形態に係る
ガスセンサ１００Ｂにおいては、検出用ポンプセル１３
４及び補助ポンプセル１７０により汲み出す酸素を、直
流電源１６８のＧＮＤラインＬｇに接続される内側ポン
プ電極１１４側に汲み出すようにしているため、検出用
ポンプセル１３４及び補助ポンプセル１７０を通じて酸
素を汲み出すにあたっては、検出電極１３２及び補助ポ
ンプ電極１７４にそれぞれ負の電圧が印加されることに
なる。

【０１３６】これにより、主ポンプセル１１８における
外側ポンプ電極１１６及び内側ポンプ電極１１４間に印
加すべきポンプ電圧Ｖｐ１の電源と、検出用ポンプセル
１３４における検出電極１３２と内側ポンプ電極１１４
間に印加すべき検出用電圧Ｖｐ２の電源と、補助ポンプ
セル１７０における補助ポンプ電極１７４と内側ポンプ
電極１１４間に印加すべき補助ポンプ電圧Ｖｐ３の電源
の各基準ライン（ＧＮＤラインＬｇ）を共通にすること
が可能となる。

【０１３７】その結果、検出用ポンプセル１３４及び補
助ポンプセル１７０を駆動するために、それぞれ絶縁独
立した直流電源（絶縁型電源）を別途必要としなくな
り、絶縁型変圧器を用いない非絶縁型電源にて前記検出
用電圧Ｖｐ２及び補助ポンプ電圧Ｖｐ３を作成すること
ができる。これは、ガスセンサ１００Ｂの制御回路系１
５０Ｂの小型化、軽量化の促進、ひいてはガスセンサ１
００Ｂ自体の小型化、軽量化の促進につながる。

【０１３８】特に、前記第２の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ｂにおいては、主ポンプセル１１８を構成す
る電位的に基準となる電極と、検出用ポンプセル１３４
を構成する電位的に基準となる電極と、補助ポンプセル
１７０を構成する電位的に基準となる電極を、共に内側
ポンプ電極１１４として共通化したので、該内側ポンプ
電極１１４を本例のように、ＧＮＤラインＬｇに接続す
ることにより、検出用ポンプセル１３４及び補助ポンプ
セル１７０を駆動するための各電源として、それぞれ半
導体部品を用いた非絶縁型電源を使用することが可能と
なる。

【０１３９】これにより、第２の実施の形態に係るガス
センサ１００Ｂにおいては、制御回路（主ポンプ制御回
路１５２、検出用ポンプ制御回路１５４及び補助ポンプ
制御回路１８２）の数よりも少ない数の直流電源１６８
あるいはＤＣ−ＤＣコンバータを揃えればよく、特に、
１つの直流電源１６８のみ、あるいは１つの直流電源１
６８につながる１つのＤＣ−ＤＣコンバータのみを揃え
るだけで、各制御回路（１５２、１５４及び１８２）へ
の電源供給を行わせることが可能となる。

【０１４０】また、前記第２の実施の形態に係るガスセ
ンサ１００Ｂにおいても、前記第１の実施の形態に係る
ガスセンサ１００Ａの変形例１００Ａａと同様に、主ポ
ンプセル１１８における内側ポンプ電極１１４を制御用
酸素分圧測定セル１２６における測定電極１２２（図５
参照）として兼用させるようにしてもよい。

【０１４１】次に、図７を参照しながら第３の実施の形
態に係るガスセンサ１００Ｃについて説明する。なお、
図５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。

【０１４２】この第３の実施の形態に係るガスセンサ１
００Ｃは、図７に示すように、前記第２の実施の形態に
係るガスセンサ１００Ｂとほぼ同じ構成を有するが、Ｎ
Ｏｘを検出する電気化学的センサセルとして、前記検出
用ポンプセル１３４の代わりに検出用酸素分圧測定セル
１９０を用いている点で異なる。

【０１４３】この検出用酸素分圧測定セル１９０は、第
１の固体電解質層１０２ｄの上面のうち、前記第２室１
１２を形づくる上面に形成された検出電極１９２と、前
記第１の固体電解質層１０２ｄの下面に形成された前記
基準電極１２４と、前記第１の固体電解質層１０２ｄに
よって構成されている。

【０１４４】この場合、検出用酸素分圧測定セル１９０
における検出電極１９２と基準電極１２４との間に、該
検出電極１９２の周りの雰囲気と基準電極１２４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）Ｖ１が発生することとなる。

【０１４５】従って、前記検出電極１９２及び基準電極
１２４間に発生する起電力（電圧）Ｖ１を電圧計１９４
にて測定することにより、検出電極１９２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Ｖ１として検出される。

【０１４６】そして、この起電力Ｖ１の変化の度合い
が、ＮＯｘ濃度を表すことになる。つまり、前記検出電
極１９２と基準電極１２４と第１の固体電解質層１０２
ｄとから構成される検出用酸素分圧測定セル１９０から
出力される起電力Ｖ１が、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を
表すことになる。

【０１４７】この第３の実施の形態に係るガスセンサ１
００Ｃにおいても、補助ポンプセル１７０により汲み出
す酸素を、直流電源１６８のＧＮＤラインＬｇに接続さ
れる内側ポンプ電極１１４側に汲み出すようにしている
ため、主ポンプセル１１８に供給すべきポンプ電圧Ｖｐ
１の電源と、補助ポンプセル１７０に供給すべき補助ポ
ンプ電圧Ｖｐ３の電源の各基準ライン（ＧＮＤラインＬ
ｇ）を共通にすることが可能となる。

【０１４８】その結果、補助ポンプセル１７０を駆動す
るために、絶縁独立した直流電源（絶縁型電源）を別途
必要としなくなり、絶縁型変圧器を用いない非絶縁型電
源にて前記補助ポンプ電圧Ｖｐ３を作成することができ
る。これは、ガスセンサ１００Ｃの制御回路系の小型
化、軽量化の促進、ひいてはガスセンサ１００Ｃ自体の
小型化、軽量化の促進につながる。

【０１４９】ところで、前記第１〜第３の実施の形態に
係るガスセンサ１００Ａ〜１００Ｃにおいては、主ポン
プセル１１８の内側ポンプ電極１１４にＧＮＤラインＬ
ｇを接続するようにしたが、該ＧＮＤラインＬｇを主ポ
ンプセル１１８の外側ポンプ電極１１６に接続するよう
にしてもよい。ヒータ１４６の負側リードを外側ポンプ
電極１１６に接続しておけば、ヒータ１４６のＧＮＤと
も共通化させることができ、配線の簡略化を図ることが
できる。

【０１５０】この場合、内側ポンプ電極１１４に負の電
圧が印加されることによって、第１室１１０内の酸素が
外部空間に汲み出され、内側ポンプ電極１１４に正の電
圧が印加されることによって外部空間の酸素が第１室１
１０内に汲み入れられることになる。

【０１５１】そして、第２室１１２からは検出用ポンプ
セル１３４（及び補助ポンプセル１７０）を通じて外側
ポンプ電極１１６側に酸素が汲み出されることになり、
検出電極１３２には負の電圧が印加されることになる。

【０１５２】通常、ヒータ１４６と基板層１０２ａ及び
１０２ｂとの電気的絶縁を図るために形成される絶縁層
１４８の絶縁抵抗は、高温状態で数ＭΩ程度となる。こ
の場合、内側ポンプ電極１１４にＧＮＤラインＬｇを接
続した場合においては、例えば１２Ｖのヒータ電源を用
いると、ヒータ１４６から数μＡ程度のリーク電流が内
側ポンプ電極１１４に流れることになる。酸素イオン伝
導体である第１及び第２の固体電解質層１０２ｄ及び１
０２ｆにリーク電流が流れると、酸素の移動が生じ、第
１室１１０内の酸素濃度はリーク電流の大小によって影
響を受けることになる。

【０１５３】一方、外側ポンプ電極１１６にＧＮＤライ
ンＬｇを接続した場合においては、前記リーク電流が外
側ポンプ電極１１６に流れることになり、この場合、酸
素の移動が生じても第１室１１０内の酸素濃度に影響を
及ぼすことはない。

【０１５４】また、内側ポンプ電極１１４は第１室１１
０内に配設されているため、第２室１１２内の酸素を検
出用ポンプセル１３４及び補助ポンプセル１７０を通じ
て内側ポンプ電極１１４側に汲み出した場合、その酸素
分を再度主ポンプセル１１８で外部空間に汲み出す必要
がある。

【０１５５】これに対して、第２室１１２内の酸素を外
側ポンプ電極１１６側に汲み出すようにすれば、外部空
間における被測定ガスがＯ₂ のリッチ雰囲気の場合にお
いて、再度主ポンプセル１１８にてポンピングする必要
がなくなるという利点を有する。

【０１５６】なお、直流電源１６８としては、該直流電
源１６８から引き出されるＧＮＤラインＬｇ、＋側電源
ラインＬ１及び−側電源ラインＬ２を通じて、それぞれ
０Ｖ、＋５Ｖ及び−５Ｖが現れるようにしてもよいし、
バッテリー電圧（０〜１２Ｖ）を中点で分割し、６Ｖ
（信号上の接地電位）、１２Ｖ（＋電源電圧）及び０Ｖ
（−電源電圧）として使用するようにしてもよい。

【０１５７】上述した第１〜第３の実施の形態に係るガ
スセンサ１００Ａ〜１００Ｃ（変形例を含む）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Ｈ₂ ＯやＣＯ₂ 等
の測定にも有効に適用することができる。

【０１５８】なお、この発明に係るガスセンサ及びガス
センサの制御方法は、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。

【０１５９】

【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、検出用ポンプ手段のポンピング処理に
よって該検出用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づい
て前記被測定ガス中の所定ガス成分を測定するガスセン
サにおいて、前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素
を、前記主ポンプ手段のベース電位に固定される電極側
に汲み出すようにしており、また、濃度検出手段にて検
出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定
ガス成分を測定するガスセンサにおいて、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中に含ま
れる酸素を、前記主ポンプ手段のベース電位に固定され
る電極側に汲み出す補助ポンプ手段を設けるようにして
いる。

【０１６０】このため、複数の直流電源における基準電
位のライン（例えばＧＮＤライン）を共通にすることが
でき、絶縁独立した直流電源（絶縁型電源）の個数を最
小限にとどめることが可能で、ガスセンサの制御回路系
の小型化、軽量化を促進させることができるという効果
が達成される。

【０１６１】また、本発明に係るガスセンサの制御方法
によれば、検出用ポンプ手段のポンピング処理によって
該検出用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて被測
定ガス中の所定ガス成分を測定するガスセンサの制御方
法において、前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素
を、前記主ポンプ手段のベース電位に固定される電極側
に汲み出すようにしており、また、濃度検出手段にて検
出された起電力に基づいて前記被測定ガス中の前記所定
ガス成分を測定するガスセンサの制御方法であって、補
助ポンプ手段を用いて、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酸素を、前記主
ポンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出す
ようにしている。

【０１６２】このため、複数の直流電源における基準電
位のライン（例えばＧＮＤライン）を共通にすることが
でき、絶縁独立した直流電源（絶縁型電源）の個数を最
小限にとどめることが可能で、ガスセンサの制御回路系
の小型化、軽量化を促進させることができるという効果
が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す平面
図である。

【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサを示す断面
図（図１におけるＡ−Ａ線上の断面図）である。

【図３】第１の実施の形態に係る制御回路系を示す回路
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を
示す断面図である。

【図５】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す断面
図である。

【図６】第２の実施の形態に係る制御回路系を示す回路
図である。

【図７】第３の実施の形態に係るガスセンサを示す断面
図である。

【図８】従来例に係るガスセンサを示す断面図である。

【図９】提案例に係るガスセンサを示す断面図である。

【図１０】提案例に係るガスセンサの制御回路系を示す
回路図である。

【図１１】互いに絶縁独立した直流電源の一例を示す回
路図である。

【符号の説明】

１００Ａ、１００Ａａ、１００Ｂ、１００Ｃ…ガスセン
サ １０４…基準ガス導入空間 １０６…第１
の拡散律速部 １０８…第２の拡散律速部 １１０…第１
室 １１２…第２室 １１４…内側
ポンプ電極 １１６…外側ポンプ電極 １１８…主ポ
ンプセル １２０、１３６、１７６…可変電源 １２２…測定
電極 １２４…基準電極 １２６…制御
用酸素分圧測定セル １３２…検出電極 １３４…検出
用ポンプセル １４０…測定制御用酸素分圧測定セル １４６…ヒー
タ １５０Ａ、１５０Ｂ…制御回路系 １５２…主ポ
ンプ制御回路 １５４…検出用ポンプ制御回路 １７０…補助
ポンプセル １７２…補助用酸素分圧測定セル １７４…補助
ポンプ電極 １８２…補助ポンプ制御回路 １９０…検出
用酸素分圧測定セル

Claims (15)

【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にて区画形成
   された処理空間に導入された前記外部空間からの被測定
   ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記処理空
   間における酸素分圧を測定対象である所定ガス成分が分
   解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、 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
   ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電
   気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素を
   ポンピング処理する検出用ポンプ手段とを具備し、 前記検出用ポンプ手段のポンピング処理によって該検出
   用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定
   ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサであっ
   て、 前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素を、前記主ポ
   ンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出すこ
   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、 前記主ポンプ手段は、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主ポンプ電極と外側
   主ポンプ電極を有して構成され、 前記検出用ポンプ手段は、固体電解質と該固体電解質に
   接して形成された内側検出用ポンプ電極及び外側検出用
   ポンプ電極を有して構成され、 前記主ポンプ手段におけるいずれか一方のポンプ電極と
   前記検出用ポンプ手段における前記外側検出用ポンプ電
   極とが共用とされ、 かつ、前記いずれか一方のポンプ電極がベース電位に固
   定されてい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にて区画形成
   された処理空間に導入された前記外部空間からの被測定
   ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記処理空
   間における酸素分圧を測定対象である所定ガス成分が分
   解され得ない所定の値に制御する主ポンプ手段と、 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
   ガス中に含まれる所定ガス成分を触媒作用及び／又は電
   気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素の
   量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力
   を発生する濃度検出手段とを具備し、 前記濃度検出手段にて検出された起電力に基づいて前記
   被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサ
   であって、 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
   ガス中に含まれる酸素を、前記主ポンプ手段のベース電
   位に固定される電極側に汲み出す補助ポンプ手段を有す
   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、 前記主ポンプ手段は、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主ポンプ電極と外側
   主ポンプ電極を有して構成され、 前記補助ポンプ手段は、固体電解質と該固体電解質に接
   して形成された内側補助ポンプ電極及び外側補助ポンプ
   電極を有して構成され、 前記主ポンプ手段におけるいずれか一方のポンプ電極と
   前記補助ポンプ手段における前記外側補助ポンプ電極と
   が共用とされ、 かつ、前記いずれか一方のポンプ電極がベース電位に固
   定さ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２又は４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酸素の量と基準ガスに含まれる酸素
   の量との差に応じた起電力を発生する主ポンプ用濃度測
   定手段と、 前記起電力に基づいて、前記主ポンプ手段の内側主ポン
   プ電極と外側主ポンプ電極間に印加される制御電圧のレ
   ベルを調整して前記主ポンプ手段でのポンピング処理を
   制御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２又は５記載のガスセンサにおい
   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ガス成分の分解時に発生する酸
   素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起
   電力を発生する検出用濃度測定手段と、 前記起電力に基づいて、前記検出用ポンプ手段の前記内
   側検出用ポンプ電極と外側検出用ポンプ電極間に印加さ
   れる検出用電圧のレベルを調整して前記検出用ポンプ手
   段でのポンピング処理を制御する検出用ポンプ制御手段
   を有することを特徴とするガスセンサ。
7. 【請求項７】請求項２、５又は６記載のガスセンサにお
   いて、 固体電解質と該固体電解質に接して形成された内側補助
   ポンプ電極と外側補助ポンプ電極とを有し、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
   れる酸素を、前記主ポンプ手段側に汲み出す補助ポンプ
   手段が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
8. 【請求項８】請求項３〜５、７のいずれか１項に記載の
   ガスセンサにおいて、 前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定
   ガスに含まれる酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量
   との差に応じた起電力を発生する補助濃度測定手段と、 前記起電力に基づいて、前記補助ポンプ手段の前記内側
   補助ポンプ電極と外側補助ポンプ電極間に印加される補
   助ポンプ電圧のレベルを調整して前記補助ポンプ手段で
   のポンピング処理を制御する補助ポンプ制御手段を有す
   ることを特徴とするガスセンサ。
9. 【請求項９】請求項３〜５、７、８のいずれか１項に記
   載のガスセンサにおいて、 前記補助ポンプ手段における外側補助ポンプ電極と前記
   主ポンプ手段のベース電位に固定されている電極とが共
   用とされていることを特徴とするガスセンサ。
10. 【請求項１０】主ポンプ手段を用いて、外部空間に接す
    る固体電解質にて区画形成された処理空間に導入された
    前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピ
    ング処理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対
    象である所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御
    し、 検出用ポンプ手段を用いて、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所定ガス成
    分を触媒作用及び／又は電気分解により分解し、分解時
    に発生した酸素をポンピング処理し、 前記検出用ポンプ手段のポンピング処理によって該検出
    用ポンプ手段に流れるポンプ電流に基づいて前記被測定
    ガス中の所定ガス成分を測定するガスセンサの制御方法
    であって、 前記検出用ポンプ手段により汲み出す酸素を、前記主ポ
    ンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出すこ
    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１０記載のガスセンサの制御方法
    において、 検出用濃度測定手段を用いて、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
    ガス成分の分解時に発生した酸素の量と基準ガスに含ま
    れる酸素の量との差に応じた起電力を測定し、 前記検出用濃度測定手段にて測定された起電力に基づい
    て前記検出用ポンプ手段でのポンピング処理を調整する
    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１０又は請求項１１記載のガスセ
    ンサの制御方法において、 補助ポンプ手段を用いて、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酸素を、前記
    主ポンプ手段の処理空間側に汲み出すことを特徴とする
    ガスセンサの制御方法。
13. 【請求項１３】主ポンプ手段を用いて、外部空間に接す
    る固体電解質にて区画形成された処理空間に導入された
    前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピ
    ング処理して、前記処理空間における酸素分圧を測定対
    象である所定ガス成分が分解され得ない所定の値に制御
    し、 濃度検出手段を用いて、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ガス成
    分を触媒作用及び／又は電気分解により分解し、分解時
    に発生した酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との
    差に応じて発生する起電力を検出し、 前記濃度検出手段にて検出された起電力に基づいて前記
    被測定ガス中の前記所定ガス成分を測定するガスセンサ
    の制御方法であって、 補助ポンプ手段を用いて、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酸素を、前記
    主ポンプ手段のベース電位に固定される電極側に汲み出
    すことを特徴とするガスセンサの制御方法。
14. 【請求項１４】請求項１２又は１３記載のガスセンサの
    制御方法において、 補助濃度測定手段を用いて、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酸素の量と
    基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた起電力を測
    定し、 前記補助濃度測定手段にて測定された起電力に基づいて
    前記補助ポンプ手段でのポンピング処理を調整すること
    を特徴とするガスセンサの制御方法。
15. 【請求項１５】請求項１０〜１４のいずれか１項に記載
    のガスセンサの制御方法において、 主ポンプ用濃度測定手段を用いて、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
    酸素の量と基準ガスに含まれる酸素の量との差に応じた
    起電力を測定し、 前記主ポンプ用濃度測定手段にて測定された起電力に基
    づいて、前記主ポンプ手段でのポンピング処理を調整す
    ることを特徴とするガスセンサの制御方法。