JPH10267895A

JPH10267895A - 排気ガスセンサ及びそれを用いた排気ガスセンサシステム

Info

Publication number: JPH10267895A
Application number: JP9092928A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Inoue; 隆治井上; Shoji Kitanoya; 昇治北野谷; Toshihiro Fuma; 智弘夫馬; Yumi Kuroki; 由美黒木; Takafumi Oshima; 崇文大島
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 1997-03-26
Filing date: 1997-03-26
Publication date: 1998-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】排気ガス中の酸素濃度が変動しても、該排気
ガス中の汚染物質の濃度を高精度で検出できる排気ガス
センサを提供する。【解決手段】排気ガスセンサ１は、被検出成分濃度検
出素子２と、酸素濃度検出素子３を備える。被検出成分
濃度検出素子２は、排気ガスとの接触に伴い該排気ガス
中の被検出成分濃度に応じて電気抵抗値を変化させる酸
化物半導体で構成された濃度検出部１６を有し、該濃度
検出部１６の電気抵抗値を反映した情報を、排気ガス中
の被検出成分濃度の検出情報として出力する。また、酸
素濃度検出素子３は排気ガス中の酸素濃度を検出し、そ
の酸素濃度の検出情報を、被検出成分濃度検出素子２に
よる被検出成分濃度の検出情報を補正するための情報と
して出力する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガスセンサと
それを用いた排気ガスセンサシステムに関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される炭化水
素（以下、ＨＣという）やＣＯ等の可燃性成分や、ある
いはＮＯ_X等の汚染物質を検出するためのセンサとし
て、抵抗型センサが知られている。例えば、ＨＣやＣＯ
等の可燃性成分検出用のものは、検出素子としてＳｎＯ
₂等の酸化物半導体（ｎ型）を使用し、以下の原理によ
り測定を行う。すなわち、雰囲気中の酸素は検出素子に
負電荷吸着するが、雰囲気中にＨＣやＣＯ等の可燃性成
分が含有されていると、その吸着酸素との間で燃焼反応
を起こし、該吸着酸素を離脱させる。そして、この吸着
酸素の離脱に伴う検出素子の電気抵抗値変化が、雰囲気
中の可燃性成分の濃度に依存して増減することから、こ
れを測定することにより該可燃性成分の濃度を知ること
ができる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
な抵抗型センサにおいては、酸化物半導体による検出素
子の出力が、排気ガス中に含有される酸素濃度により変
化する特性を有している。そのため、同じ汚染物質濃度
に対しても、排気ガス中の酸素濃度により検出出力値が
変動してしまう問題がある。そこで、例えば特開平５−
１８０７９４号、特開平８−１２２２８７号、ドイツ特
許公開ＤＥ４３１１８４９Ａ１号、同じくＤＥ４３１１
８５１Ａ１号の各公報に開示されているように、固体電
解質を用いたポンプ素子により、検出空間内に導入され
た排気ガス中に対して酸素を送り込んでその濃度を高
め、ガス中の酸素濃度の相対的な変動を小さくすること
により検出精度を高める提案がなされている。しかしな
がら、排気ガス中の酸素の濃度が大きく変化した場合に
は、ポンプ素子からの酸素導入による相対濃度変動の抑
制効果が不十分となり、満足な検出精度が得られない欠
点がある。

【０００４】また、上記従来のセンサ構成においては、
検出素子が検出空間に面して配置されているが、酸素ポ
ンプ素子はＺｒＯ₂等の酸素イオン伝導性固体電解質セ
ラミックにより構成されて、その作動温度が一般に６０
０℃以上と高いため、排気ガス中の被検出成分である炭
化水素（以下、ＨＣと略記する）あるいは一酸化炭素
（ＣＯ）等の可燃成分の燃焼が起こりやすく、センサの
検出感度が低下してしまう問題もある。さらに、検出素
子を構成する酸化物半導体は温度によっても電気抵抗値
が変化するため、排気ガス中の被検出成分濃度が同一で
あっても、素子温度の変動により出力値が変動し、誤差
を生じやすい欠点がある。

【０００５】本発明の課題は、排気ガス中の酸素濃度や
素子温度が変動しても、該排気ガス中の汚染物質の濃度
を高精度で検出できる排気ガスセンサと、それを用いた
排気ガスセンサシステムとを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明の排気ガスセンサは下記の
要件を含んで構成されることを特徴とする。被検出成分濃度検出素子：排気ガスとの接触に伴い該
排気ガス中の被検出成分濃度に応じて電気抵抗値を変化
させる酸化物半導体で構成された濃度検出部を有し、該
濃度検出部の電気抵抗値を反映した情報（濃度検出電気
抵抗情報）を、排気ガス中の被検出成分濃度の検出情報
として出力する。酸素濃度検出素子：排気ガス中の酸素濃度を検出し、
その酸素濃度の検出情報を、被検出成分濃度検出素子に
よる被検出成分濃度の検出情報を補正するための、被検
出成分濃度補正情報として出力する。

【０００７】上述のように構成された排気ガスセンサに
おいては、排気ガス中の酸素濃度を酸素濃度検出素子に
より測定し、その測定結果（すなわち酸素濃度の検出情
報）により被検出成分濃度検出素子による被検出成分濃
度の検出情報を補正するようにしたから、排気ガス中の
酸素濃度が変動しても、該排気ガス中の汚染物質の濃度
を高精度で検出できる。

【０００８】半導体検出素子を構成する酸化物半導体の
種類は、被検出成分の種類によって異なり、例えばＣＯ
又はＨＣ検出用にはＳｎＯ₂、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂
Ｏ₃等が好適に使用される。また、窒素酸化物（ＮＯ_X）
検出用にはＷＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、あるいはＬａを
含有するペロブスカイト型酸化物（例えばＬａＦｅ
Ｏ₃）等が好適に使用される。また、酸素ポンプ素子及
び酸素センサ素子に使用される固体電解質としては、Ｙ
₂Ｏ₃等で部分安定化されたＺｒＯ₂を主体とするものが
好適に使用される。

【０００９】酸素検出素子は、下記の要件を備えた全領
域酸素センサとすることができる。酸素ポンプ素子：酸素イオン伝導性を有する固体電解
質により形成され、電圧印加に伴い検出空間に対する酸
素の汲み込み又は汲み出しを行う。濃淡電池素子：酸素イオン伝導性を有する固体電解質
により形成され、酸素ポンプ素子との間に検出空間が形
成されるように、該酸素ポンプ素子に対向して配置され
るともに、その検出空間に導入された排気ガス中の酸素
濃度と基準酸素濃度との差に応じた濃淡電池起電力を発
生する。第一ヒータ：それら酸素ポンプ素子と濃淡電池素子と
を、所定の作動温度に加熱する。これら要件を備えた全領域酸素センサは、濃淡電池素子
の濃淡電池起電力が予め定められた値に維持されるよう
に検出空間に対し酸素の汲み込み又は汲み出しが行なわ
れるときの、酸素ポンプ素子に流れる電流を反映した情
報（ポンプ電流情報）を、酸素濃度の検出情報として出
力する。

【００１０】上記全領域酸素センサは、酸素濃度とポン
プ電流値との間の直線性が高く、広範囲の酸素濃度を精
度よく検出することができ、しかも急激な酸素濃度変化
にも対応できるので、排気ガスの検出精度をさらに高め
ることができる。

【００１１】この場合、被検出成分濃度検出素子は、該
全領域酸素センサの検出空間の外側に設けることができ
る。全領域酸素センサは、通常６００℃以上の高温で作
動するが、被検出成分濃度検出素子をその検出空間の外
側に配置することで、被検出成分濃度検出素子を低温で
作動させることが可能となり、排気ガス中の被検出成分
であるＨＣあるいはＣＯ等の可燃成分の燃焼が抑制さ
れ、ひいてはそれらに対するセンサの検出感度を高める
ことができる。

【００１２】被検出成分濃度検出素子は、濃度検出部を
所定の作動温度に加熱するための第二ヒータと、濃度検
出部の近傍に配置されて該濃度検出部の温度を検出し、
該温度の検出情報を、第二ヒータの発熱を制御するため
の発熱制御情報として出力する温度検出部とを含むもの
として構成することができる。被検出成分濃度検出素子
を専用のヒータで加熱するとともに、温度検出部により
濃度検出部の温度を検出し、これを制御情報として該ヒ
ータの発熱を制御することにより濃度検出部の温度変動
を抑制することができ、ひいてはセンサの検出精度を高
めることができる。

【００１３】濃度検出部は、第二ヒータの表面に形成さ
れた層状の半導体検出部からなる濃度検出半導体層によ
り構成することができる。これにより、濃度検出部の加
熱を効率よく行うことができる。また、温度検出部は、
同じく第二ヒータの表面において、濃度検出半導体層に
近接して層状に形成され、温度に応じてその電気抵抗を
変化させるとともに、その電気抵抗値を反映した情報
（温度検出電気抵抗情報）を上記温度の検出情報として
出力するサーミスタとすることができる。サーミスタは
酸化物半導体により安価に構成でき、しかも温度検出の
感度が高い利点を有する。また、これを層状として濃度
検出半導体層に近接して配置することにより、濃度検出
部の温度変化を精度よくしかも迅速に検出することがで
き、温度変動抑制のための制御の精度およびその応答性
を高めることができる。

【００１４】上記サーミスタの表面は、排気ガスとの接
触を遮断するガス遮断層で覆うことができる。該ガス遮
断層は、例えばＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭＯ系ガラス（た
だし、Ｍはアルカリ土類金属元素）等のガラス層とする
ことができる。これによりサーミスタ表面と排気ガスと
が直接接触、ひいては該接触に伴うサーミスタの検出特
性の劣化が防止され、温度検出の精度を高めることがで
きる。

【００１５】上記サーミスタは、濃度検出半導体層と同
一材質の酸化物半導体により構成することができる。こ
のようなサーミスタの表面を前述のガス遮断層で覆った
構成とすれば、該サーミスタによる温度検出電気抵抗情
報の出力と濃度検出半導体層による濃度検出電気抵抗情
報の出力との差を、温度補償された被検出成分の濃度検
出情報として取り出すことができるようになる。

【００１６】次に、酸素ポンプ素子と濃淡電池素子と
は、検出空間を挟んで互いに対向する板状に形成するこ
とができ、第一ヒータは、それら対向配置された酸素ポ
ンプ素子と濃淡電池素子との組に対し、その酸素ポンプ
素子側に対向配置される板状に形成することができる。
この場合、第二ヒータは、酸素ポンプ素子と濃淡電池素
子との組に対し、その濃淡電池素子側（すなわち第一ヒ
ータと反対側）に対向配置される板状に形成することが
でき、濃度検出半導体層と層状のサーミスタとは、第二
ヒータの、濃淡電池素子側に面さない板面上に形成する
ことができる。このようにすれば、高温となる第一ヒー
タの発熱が、第二ヒータの温度、ひいては濃度検出半導
体層と層状のサーミスタとの温度に影響を及ぼしにくく
なるから、被検出成分濃度検出素子を低温で作動させる
上でさらに有利となる。

【００１７】次に、本発明は、上記排気ガスセンサを使
用した排気ガスセンサシステムも提供する。すなわち、
該センサシステムは、上記排気ガスセンサと、酸素濃度
検出素子から出力される酸素濃度の検出情報に基づい
て、被検出成分濃度検出素子による排気ガス中の被検出
成分濃度の検出情報を補正するとともに、その補正結果
が反映された被検出成分の濃度情報を出力する補正出力
手段とを備えたことを特徴とする。すなわち、該システ
ムにおいては、酸素濃度検出素子による排気ガス中の酸
素濃度の検出情報で被検出成分濃度の検出情報を補正
し、その補正結果に基づいて被検出成分濃度の情報を出
力するようにしたから、排気ガス中の酸素濃度が変動し
ても、該排気ガス中の汚染物質の濃度を高精度で検出で
きる。

【００１８】補正出力手段は、排気ガス中の被検出成分
の濃度と、排気ガス中の酸素濃度と、濃度検出部の電気
抵抗値との相互関係を示す補正参照情報を記憶する補正
参照情報記憶手段と、酸素濃度の検出情報と濃度検出電
気抵抗情報とに基づいて、上記補正参照情報を参照しつ
つ、出力すべき被検出成分濃度の情報を決定する被検出
成分濃度出力情報決定手段とを備えたものとして構成で
きる。すなわち、実験等により、排気ガス中の被検出成
分の濃度と、排気ガス中の酸素濃度と、濃度検出部の電
気抵抗値との相互関係を補正参照情報として予め決定
し、これを補正参照情報記憶手段に記憶しておけば、そ
の記憶された補正参照情報を参照することにより、セン
サの検出出力として得られる酸素濃度の検出情報と濃度
検出部の濃度検出電気抵抗情報とを用いて、出力すべき
被検出成分濃度の情報を合理的に決定することができ
る。

【００１９】補正参照情報記憶手段には、補正参照情報
として、濃度検出部の出力抵抗値Ｒと排気ガス中の被検
出成分濃度ＣDとの関係を、排気ガス中の酸素濃度ＣOの
各種値毎に示すＲ−ＣD−ＣO関係情報を記憶しておくこ
とができる。この場合、被検出成分濃度出力情報決定手
段は、酸素濃度の検出情報が示す酸素濃度ＣOにおい
て、濃度検出電気抵抗情報が示す濃度検出部の抵抗値
（出力抵抗値）Ｒと排気ガス中の被検出成分濃度ＣDと
の関係を示すＲ−ＣD関係情報を、Ｒ−ＣD−ＣO関係情
報を参照して決定し、濃度検出部の出力抵抗値Ｒに対応
する被検出成分濃度ＣDの値を、決定されたＲ−ＣD関係
情報を参照して出力すべき被検出成分濃度の情報として
決定する。これにより、各種酸素濃度における排気ガス
中の被検出成分濃度を正確に決定できる利点が生ずる。

【００２０】一方、濃度検出部に使用される酸化物半導
体の種類と、被検出成分の種類とによっては、濃度検出
部が示すベース抵抗値Ｒ0が、排気ガス中の酸素濃度ＣO
に応じて変化しても、濃度検出部の検出抵抗値をＲとし
てＲC＝（Ｒ0−Ｒ）／Ｒにより表される換算抵抗値ＲC
が、排気ガス中の被検出成分濃度ＣDとの間で酸素濃度
ＣOによらずほぼ一定の関係を示す場合がある。この場
合、補正参照情報としては、下記のようなものを補正参
照情報記憶手段に記憶しておくことができる。Ｒ0−
ＣO関係情報：排気ガス中に被検出成分が実質的に存在
しない場合に濃度検出部が示すベース抵抗値Ｒ0と、排
気ガス中の酸素濃度ＣOとの関係を示す。ＲC−ＣD関
係情報：濃度検出部の出力抵抗値Ｒとベース抵抗値Ｒ0
とを用いてＲC＝（Ｒ0−Ｒ）／Ｒにより表される換算抵
抗値ＲCと、排気ガス中の被検出成分濃度ＣDとの関係を
示す。

【００２１】この場合、被検出成分濃度出力情報決定手
段は、酸素濃度の検出情報が示す酸素濃度ＣOでのベー
ス抵抗値Ｒ0を、Ｒ0−ＣO関係情報を参照して決定し、
濃度検出部の出力抵抗値Ｒと上記決定されたベース抵抗
値Ｒ0とにより、換算抵抗値ＲCを算出し、さらに、その
算出された換算抵抗値ＲCに対応する被検出成分濃度ＣD
の値を、ＲC−ＣD関係情報を参照して、出力すべき被検
出成分濃度の情報として決定するものとされる。これに
より、補正参照情報としては、各酸素濃度に共通のＲC
−ＣD関係情報を一組のみ記憶しておけばよいから、情
報記憶量を減ずることができる。また、被検出成分濃度
出力情報決定手段が、被検出成分濃度を決定するに当た
って最終的に参照すべき補正参照情報の量も減ずること
ができるから、その決定処理速度、ひいては被検出成分
濃度の出力応答性を高めることができる。

【００２２】上記システムにおいては、温度検出部によ
る温度検出情報に基づいて、濃度検出部の温度が所定の
温度域に収まるように、第二ヒータの発熱を制御する発
熱制御手段を設けることができる。これにより、濃度検
出部の温度変動を抑制することができ、ひいてはセンサ
の検出精度を高めることができる。この場合、発熱制御
手段は、濃度検出部の温度を酸素濃度検出素子の作動温
度よりも低温となるように、第二ヒータの発熱を制御す
るものとして構成できる。こうすれば、排気ガス中の被
検出成分であるＨＣあるいはＣＯ等の可燃成分の燃焼が
抑制され、ひいてはそれらに対するセンサの検出感度を
高めることができる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１（ａ）は、本発
明の一実施例たる排気ガスセンサ１の構成を示す分解斜
視図である。すなわち、排気ガスセンサ１は、それぞれ
横長板状に形成された被検出成分濃度検出素子２と、酸
素検出素子としての全領域酸素センサ（以下、単に酸素
センサともいう）３とが積層され一体化されたものとし
て構成されている。

【００２４】酸素センサ３は、図１（ｂ）に示す検出空
間８を挟んで互いに対向する濃淡電池素子４及び酸素ポ
ンプ素子５と、第一ヒータ９とを有する。濃淡電池素子
４及び酸素ポンプ素子５は、酸素イオン伝導性固体電解
質により構成されている。そのような固体電解質として
は、Ｙ₂Ｏ₃ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表的
なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希
土類金属の酸化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用してもよ
い。また、ベースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有され
ていてもよい。一方、第一ヒータ９は公知のセラミック
ヒータで構成されている。

【００２５】濃淡電池素子４と酸素ポンプ素子５とはそ
れぞれ横長板状に構成されており、検出空間８を形成す
るためのスペーサ部６を挟んで互いに一体化されてい
る。スペーサ部６も上述の固体電解質で構成されている
が、濃淡電池素子４と酸素ポンプ素子５との接合部に
は、Ａｌ₂Ｏ₃等で構成された図示しない絶縁層が介挿さ
れている。検出空間８はスペーサ部６の一方の端部寄り
に形成されるとともに、その幅方向両側には、多数の連
通気孔を有してＡｌ₂Ｏ₃等により形成された多孔質セラ
ミック部材７が配置されており、この多孔質セラミック
部材７を介して検出空間８に対し排気ガスが導入される
ようになっている。

【００２６】図２に示すように、濃淡電池素子４には検
出空間８に対応する位置において酸素濃度基準電極１０
が埋設される一方、これに対応して検出空間８側の表面
には対向電極１１が形成されている。一方、酸素ポンプ
素子５にも、検出空間８に対応する位置においてその両
面に電極１２及び１３が形成されている。これら電極は
いずれも、それら素子を構成する固体電解質へ酸素を注
入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質か
ら酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可
逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電
極、例えばＰｔ多孔質電極として構成されており、いず
れも図示しない電極リード部を介して、素子の検出空間
８が形成されているのとは反対側に配置された対応する
電極端子１０ａ〜１３ａ（図１）にそれぞれ接続されて
いる。また、第一ヒータ９は、それら対向配置された濃
淡電池素子４と酸素ポンプ素子５との組に対し、その酸
素ポンプ素子５側に対向配置される板状に形成されてい
る。

【００２７】酸素ポンプ素子５は、電圧印加に伴い検出
空間８に対する酸素の汲み込み又は汲み出しを行う。ま
た、濃淡電池素子４は、酸素濃度基準電極１０側の酸素
濃度（基準酸素濃度：ほぼ１００％に近い値となる）と
対向電極１１側の酸素濃度（すなわち、検出空間８に導
入された排気ガス中の酸素濃度）との差に応じた濃淡電
池起電力を発生する。そして、全領域酸素センサ３は、
濃淡電池素子４の濃淡電池起電力が所定の値に維持され
るように検出空間８に対し酸素の汲み込み又は汲み出し
が行なわれるときの、酸素ポンプ素子５に流れる電流
を、酸素濃度の検出情報として出力する。また、第一ヒ
ータ９は、濃淡電池素子４及び酸素ポンプ素子５の組を
所定の作動温度（例えば７００〜８００℃）に加熱す
る。図２３は、濃淡電池素子４及び酸素ポンプ素子５を
構成する酸素イオン伝導性固体電解質としてＺｒＯ₂系
セラミックス使用した上記全領域酸素センサ３による酸
素濃度の測定例を示している。酸素ポンプ電流は測定雰
囲気中の酸素の濃度に対して良好な直線性を示している
ことがわかる。

【００２８】図１に戻り、被検出成分濃度検出素子２
は、濃淡電池素子４と酸素ポンプ素子５との組に対し、
上記第一ヒータ９とは反対側、すなわち濃淡電池素子４
側に対向配置される板状の第二ヒータ１５と、その第二
ヒータ１５の、酸素濃淡電池素子４に面さない板面上に
形成された濃度検出部としての濃度検出半導体層１６
と、同じく同板面上において濃度検出半導体層１６に対
し第二ヒータ１５の長手方向に隣接配置された、温度検
出部としての層状のサーミスタ１７とを含んで構成され
ている。ここで、第二ヒータ１５は、濃度検出半導体層
１６の温度を、濃淡電池素子４と酸素ポンプ素子５との
作動温度よりも低温（例えば６５０〜７００℃）の、所
定の作動温度に加熱する役割を果たす。

【００２９】濃度検出半導体層１６とサーミスタ１７と
は同一材質の酸化物半導体で構成され、排気ガス中の被
検出成分がＣＯ又はＨＣである場合は、ＳｎＯ₂、Ｚｎ
Ｏ、Ｉｎ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃等が、また窒素酸化物（Ｎ
Ｏ_X）である場合にはＷＯ₃、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、ある
いはＬａを含有するペロブスカイト型酸化物（例えばＬ
ａＦｅＯ₃）等で構成されている。図３（ａ）及び
（ｃ）に示すように、第二ヒータ１５の板面上には、Ｐ
ｔペースト等の印刷・焼き付けにより形成された電極１
８及び１９と、それらに接続するリード部２０〜２２が
形成されており、濃度検出半導体層１６とサーミスタ１
７とは、上記電極１８及び１９をそれぞれ覆うように形
成されている。また、サーミスタ１７の表面はＳｉＯ₂
−Ａｌ₂Ｏ₃−ＭＯ系ガラス（ただし、Ｍはアルカリ土類
金属元素）等のガラスで構成されたガス遮断層２３によ
り覆われている。

【００３０】ここで、図３（ｂ）に示すように、電極１
８は、第二ヒータ１５の幅方向にそれぞれ延びるととも
に、第二ヒータ１５の長手方向に所定の間隔で並ぶ第一
の線状部群１８ａと、それら第一の線状部群１８ａを一
方の端部側で互いに接続する第一の接続部１８ｂと、第
二ヒータ１５の幅方向にそれぞれ延びるとともに第一の
線状部群１８ａと互い違いに配列する第二の線状部群１
８ｃと、それら第二の線状部群１８ｃを、第一の接続部
１８ｂとは反対側の端部側で互いに接続する第二の接続
部１８ｄとを有し、第一の接続部１８ｂにはリード部２
０が、第二の接続部１８ｄにはリード部２２がそれぞれ
接続されている。電極１９も同様の形態で構成されてお
り、その第一の線状部群１９ａは第一の接続部１９ｂに
より互いに接続され、さらにこれにリード部２１がつな
がっている。一方、その第二の線状部群１９ｃを互いに
接続する第二の接続部の役割はリード部２２が果たして
おり、これによって濃度検出半導体層１６とサーミスタ
１７とは、リード部２２を共有した形で互いに並列に接
続されることとなる（図５参照）。

【００３１】濃度検出半導体層１６は、排気ガスとの接
触に伴い該排気ガス中の被検出成分濃度に応じて電気抵
抗値を変化させる。そして、一定の抵抗検出用電圧を印
加したときに自身において電圧降下した後の電圧レベル
（以下、抵抗検出電圧という）が濃度検出電気抵抗情
報、すなわち排気ガス中の被検出成分濃度の検出情報と
して出力される。一方、サーミスタ１７は、第二ヒータ
１５の温度を検出し、濃度検出半導体層１６と同様にそ
の抵抗検出電圧（温度検出電気抵抗情報）を第二ヒータ
１５の発熱制御情報として出力する。また、該温度検出
電気抵抗情報は、後述する通り、濃度検出半導体層１６
の濃度検出電気抵抗情報を温度補償するためにも使用さ
れる。

【００３２】図４は、被検出成分濃度検出素子２の製造
方法の一例を示す分解斜視図である。すなわち、該素子
２は、基本的には第二ヒータ１５の基体を形成すること
となる３枚のＡｌ₂Ｏ₃シートを互いに積層し、これを焼
成することにより形成されるのであるが、その第一のＡ
ｌ₂Ｏ₃シート３０上には、電極１８，１９及びリード部
２０〜２２を形成するためのパターン３１がＰｔペース
ト等により印刷形成される。

【００３３】一方、第二のＡｌ₂Ｏ₃シート３４上には、
一方の端部側にリード部２０〜２２の各取出部分となる
端子２０ａ〜２２ａ（図１）を形成するためのＰｔ線３
７の一方の端部側が埋込配置されるとともに、濃度検出
半導体層１６とサーミスタ１７に対応する位置には、ヒ
ータパターン３５がＷ等の高融点金属粉末あるいはその
他の抵抗発熱材料粉末のペーストを用いて印刷形成され
る。また、そのヒータパターン３５に対するリード部パ
ターン３６と、端子２０ａ〜２２ａに対する導通確保用
のパターン３８とがＰｔペースト等により印刷形成され
る。なお、第一のＡｌ₂Ｏ₃シート３０のリード部２０〜
２２の各末端に対応する位置には貫通孔３９が孔設され
ており、リード部２０〜２２のパターンを形成する際に
ペーストがここに充填され、該ペーストを介して下側の
各Ｐｔ線３７（すなわち端子２０ａ〜２２ａ）とリード
部２０〜２２のパターンとが導通するようになってい
る。

【００３４】また、第三のＡｌ₂Ｏ₃シート３８の端部側
には、ヒータ通電用の端子１５ａ（図１）となるべきＰ
ｔ線３９の一方の端部側が埋設される一方、一端側が第
二のＡｌ₂Ｏ₃シート３４上のリード部パターン３６に接
続するとともに、他端側がＰｔ線３９に接続するリード
部パターン４０が、Ｐｔペースト等により印刷形成され
る。なお、両リード部パターン３６及び４０の接続位置
に対応して第二のＡｌ₂Ｏ₃シート３４には貫通孔４１が
孔設されており、リード部パターン３６を形成する際に
ペーストがここに充填され、該ペーストを介して両リー
ド部パターン３６及び４１が互いに導通するようになっ
ている。

【００３５】この状態で上記３枚のＡｌ₂Ｏ₃シート３
０，３４，３８を、図に示す位置関係で互いに積層し、
これを所定の温度（例えば１５００〜１６００℃）で焼
成することにより、それらが互いに一体化されて被検出
成分濃度検出素子２の原形ができあがる。次に、その焼
成体の電極１８及び１９に対応する部分に、酸化物半導
体粉末ペーストにより濃度検出半導体層１６とサーミス
タ１７を形成するためのパターン３２を印刷形成し、こ
れを上記Ａｌ₂Ｏ₃シートの焼成温度よりも低温で二次焼
成することにより、濃度検出半導体層１６とサーミスタ
１７が形成される。この二次焼成の温度は酸化物半導体
の材質により異なるが、例えばＳｎＯ₂の場合９００〜
１２００℃で設定される。二次焼成温度が１２００℃を
超えると焼成中のＳｎＯ₂の蒸発が著しく、良好な素子
の形成が不可能となる。一方、９００℃未満の場合は素
子と酸素センサセルとの密着性（接合強度）が不足す
る。なお、二次焼成温度はＳｎＯ₂の場合、９００〜１
０００℃の範囲内で設定することがより望ましい。

【００３６】そして、最後にそのサーミスタ１７に対応
する部分に、ガラス粉末を含有するペースト印刷により
ガス遮断層２３のパターン３３を形成し、これを９００
〜１０００℃で焼き付け処理を行うことにより、図３に
示す被検出成分濃度検出素子２が完成する。

【００３７】次に、図５は、上記構成の排気ガスセンサ
１を用いた排気ガスセンサシステム（以下、単にセンサ
システムともいう）５０の電気的構成を示すブロック図
である。センサシステム５０は、ＣＰＵ５２、ＲＡＭ５
３、ＲＯＭ５４及びクロック回路５５と、それらが接続
される出入力インターフェースとしてのＩ／Ｏポート５
１ａとを有するマイクロプロセッサ５１を有し、排気ガ
スセンサ１の各素子あるいは検出部が周辺回路を介して
Ｉ／Ｏポート５１ａに接続された構造を有する。

【００３８】まず、被検出成分濃度検出素子２の濃度検
出半導体層１６とサーミスタ１７の共通のリード部２２
には、端子２２ａを介して抵抗測定用電源５６（電圧Ｖ
1）が接続されている。また、これと反対側の濃度検出
半導体層１６のリード部２０と、同じくサーミスタ１７
のリード部２１とは、それぞれ端子２０ａ及び２１ａと
を介して、周辺の抵抗器５９ａ〜５９ｄとともに差動増
幅器を構成するオペアンプ５９に接続されるとともに、
それぞれオペアンプ５９への入力分圧電圧を調整するた
めの抵抗器５７及び５８がつながれている。濃度検出半
導体層１６及びサーミスタ１７の電気抵抗値（すなわち
真のベース抵抗値）をそれぞれＲd及びＲthとすれば、
このときの濃度検出半導体層１６と抵抗器５７との分圧
電圧ＶdはＶd＝Ｖ1・Ｒ1／（Ｒd ＋Ｒ1）であり、また
サーミスタ１７と抵抗器５８との分圧電圧ＶthはＶ1・
Ｒ2／（Ｒth ＋Ｒ2）である。そして、Ｖ1、Ｒ1及びＲ2
はそれぞれ既知であるから、Ｖd及びＶthはそれぞれＲd
ないしＲthのみの関数となり、濃度検出半導体層１６と
サーミスタ１７との各電気抵抗値を反映した情報、すな
わち濃度検出電気抵抗情報及び温度検出電気抵抗情報と
しての意味を持つこととなる。

【００３９】なお、濃度検出半導体層１６とサーミスタ
１７の電気抵抗値は、一般には温度に対して非線形的
（例えば指数関数的）に変化するが、上述のようにその
出力を分圧電圧として取り出すことでこれを線形出力に
近付けることができる。すなわち、抵抗器５７及び５８
は線形化補償抵抗としての意味も持つ。

【００４０】ここで、抵抗器５７及び５８の電気抵抗値
Ｒ1及びＲ2は、濃度検出半導体層１６とサーミスタ１７
とを、被検出成分が実質的に含まれていない雰囲気中
（以下、ベース雰囲気という）においた場合の、それら
濃度検出半導体層１６及びサーミスタ１７からオペアン
プ５９への入力電圧が互いに等しくなるように、すなわ
ち見掛け上のベース抵抗値が互いに等しくなるように設
定される。すなわち、ベース雰囲気での濃度検出半導体
層１６及びサーミスタ１７の各電気抵抗値（すなわち真
のベース抵抗値）をそれぞれＲd0及びＲth0とすれば、
このときの濃度検出半導体層１６と抵抗器５７との分圧
電圧Ｖdは、オームの法則により、Ｖd＝Ｖ1・Ｒ1／（Ｒd0 ＋Ｒ1）‥‥‥(1) であり、またサーミスタ１７と抵抗器５８との分圧電圧
Ｖthは、Ｖth＝Ｖ1・Ｒ2／（Ｒth 0＋Ｒ2）‥‥‥(2) である。そして、上記前提からＶd＝Ｖthであるから、
(1)、(2)より、Ｒ1／（Ｒd0 ＋Ｒ1）＝Ｒ2／（Ｒth 0＋Ｒ2）‥‥‥(3) の関係を満足するように、Ｒ1及びＲ2の値を設定すれば
よい。

【００４１】そして、上記分圧ＶdとＶthとの差がオペ
アンプ５９により増幅され、Ａ／Ｄ変換器６２によりデ
ジタル化されてマイクロプロセッサ５１に入力される。
ここで、ＶdとＶthとの差は濃度検出半導体層１６及び
サーミスタ１７の電気抵抗値の差に対応しているわけで
あるが、これは温度補償された被検出成分の濃度検出情
報としての意味を持つ。以下に、その理由を説明する
（図９（ａ）参照）。すなわち、濃度検出半導体層１６
の電気抵抗値Ｒは、近似的には、被検出成分が存在しな
い場合の電気抵抗、すなわちベース抵抗Ｒ0（Ｔ）と、
排気ガス中の被検出成分との接触に伴う抵抗の減少ＲS
との差により、Ｒ＝Ｒ0（Ｔ）−ＲS ‥‥‥(4) で表すことができる。ここで、このベース抵抗Ｒ0
（Ｔ）は、半導体特有の大きな温度依存性を有している
ため、結果として濃度検出半導体層１６の電気抵抗値Ｒ
1は温度変動の影響を受けやすくなる（図２４は、濃度
検出半導体層１６をＳｎＯ₂で構成した場合の、各種酸
素濃度におけるその電気抵抗値Ｒの温度依存性の例を示
している）。一方、被検出成分との接触に伴う抵抗の減
少Ｒ1Sは、Ｒ10（Ｔ）に比べれば温度依存性は比較的小
さい。

【００４２】次に、サーミスタ１７は、ガス遮断層２３
で覆われて被検出成分と接触しないので、その電気抵抗
値Ｒthはベース抵抗Ｒth0（Ｔ）のみを含む形となり、Ｒth＝Ｒth0（Ｔ） ‥‥‥(5) で表すことができる。ここで、該サーミスタ１７は濃度
検出半導体層１６と同一の酸化物半導体で構成されてい
てその電気抵抗の温度係数が同一であるから、各温度に
おいてそのベース抵抗は互いに等しくなる。すなわち、Ｒ0（Ｔ）＝Ｒth0（Ｔ） ‥‥‥(6) である。従って、(2)と(3)から、Ｒth＝Ｒ0（Ｔ） ‥‥‥(7) であり、該(7)式から(4)式を辺々減ずれば、Ｒth−Ｒ＝ＲS ‥‥‥(8) となって温度依存性の大きいベース抵抗Ｒ0（Ｔ）の項
が消え、被検出成分との接触に伴う抵抗増分の項ＲS の
みが残る。すなわち、Ｒth−Ｒは、温度補償された被検
出成分の濃度検出情報としての意味を持つ。

【００４３】次に、上記サーミスタ１７の上記出力分圧
Ｖthは、濃度検出半導体層１６の温度を前述の作動温度
に維持するための、第二ヒータ１５の発熱制御にも用い
られる。図６は、そのヒータ１５の発熱制御回路の一例
を示すものである。すなわち、発熱制御回路１５０にお
いては、出力分圧Ｖthは、ボルテージホロワとして機能
するオペアンプ６３を介して、周辺の抵抗器６４ａ〜６
４ｄとともに差動増幅器を構成するオペアンプ６４の一
方の端子へ入力される。一方、オペアンプ６４の他方の
端子には、上記作動温度の設定値に対応して定められた
基準電圧Ｖ2を与えるための電源６５が接続されてい
る。なお、抵抗器６８は出力分圧Ｖthの入力調整用抵抗
器（抵抗値Ｒ7）である。オペアンプ６４の出力はヒー
タ制御電圧として使用され、その出力電流はトランジス
タ６９で増幅されて第二ヒータ１５に流れ込む。なお、
オペアンプ６４は、出力分圧Ｖthが基準電圧Ｖ2を上回
ったときの出力電流の極性が、トランジスタ６９をオフ
とさせるものとなる接続形態で使用される。本実施例で
は、オペアンプ６４は反転増幅接続とされ、出力分圧Ｖ
thはその負端子に、基準電圧Ｖ2は正端子にそれぞれ入
力され、トランジスタ６９はＮＰＮ型のものが使用され
ている。

【００４４】例えば、第二ヒータ１５の温度が下がると
サーミスタ１７の温度が下り、その電気抵抗値が減少し
てＶthは低下する。そして、サーミスタ１７の検出温度
（濃度検出半導体層１６の温度に対応する）が上記作動
温度よりも低くなると、オペアンプ６４への入力電圧Ｖ
thが基準電圧Ｖ2よりも小さくなり、オペアンプ６４か
らはその差に比例した正の電圧が出力される。これによ
り、トランジスタ６９はオンとなって第二ヒータ１５が
通電され、濃度検出半導体層１６の温度は上記作動温度
に近づくように上昇する。一方、入力電圧Ｖthが基準電
圧Ｖ2よりも大きくなると、オペアンプ６４の出力は負
となり、トランジスタ６９がオフとなるので通電が遮断
される。これにより、サーミスタ１７の検出温度は上記
作動温度に近づくように低下する。このようにして、濃
度検出半導体層１６の温度は前述の作動温度付近に維持
されることとなる。

【００４５】一方、図２８（ａ）は、ＰＷＭ（pulse wi
sth moduration）制御方式を採用した発熱制御回路の例
を示すものである。この回路１５０の主体をなすのはＰ
ＷＭ制御回路であり、三角波（あるいはのこぎり波）発
生回路８７と、前述のオペアンプ６４からのヒータ制御
出力電圧と三角波発生回路８７からの出力電圧とがそれ
ぞれ入力される単電源オペアンプ８８とを含んで構成さ
れている。単電源オペアンプ８８は、ヒータ制御電圧と
三角波入力値との大小関係に応じてゼロ及びゼロでない
一定電圧Ｖのいずれかを出力するコンパレータとして作
動する（本実施例では、三角波入力値が大きい場合に＋
Ｖ、ヒータ制御電圧が大きい場合にゼロが出力されるも
のとする）。以下、オペアンプ８８をコンパレータ８８
とよぶ。

【００４６】また、図２８（ｂ）は、三角波発生回路８
７の一例を示すものであり、その要部はコンパレータと
して機能するオペアンプ８９と、オペアンプ９８と抵抗
器９７及びコンデンサ９９とからなる積分回路１００と
からなる。オペアンプ８９は、図中Ａ点とＢ点の電圧加
算値が正であるか負であるかに応じて、それぞれ正負の
最大電圧を出力する。そして、このオペアンプ８９の出
力電圧は、ダイオード群９２〜９５とツェナーダイオー
ド９６により、０Ｖに対する正負の電圧が一定値ＶZDの
方形波となり、これが積分回路１００によって０Ｖに対
する正負の最大振幅がＶZDの三角波に変換される。な
お、三角波の周期λ（図２９）は、積分回路１００の抵
抗器９７の抵抗値とコンデンサ９９の容量に応じて調整
できる。発生した三角波は、オペアンプ１０１により所
定の振幅に増幅されて図２８（ａ）のコンパレータ８８
に出力される。

【００４７】図２９は、ＰＷＭ制御回路の作動説明図で
あり、コンパレータ８８の入力において、ヒータ制御電
圧値Ｖiが三角波入力Ｖtよりも小さくなっている期間に
おいてはコンパレータ８８の出力は＋Ｖとなり、そうで
ない場合はゼロとなる。これにより、コンパレータ８８
はデューティ比が｛（Ｖi＋Ｖmax）／２Ｖmax｝×λ
（ただし、−Ｖmax≦Ｖi≦＋Ｖmax、Ｖmaxは三角波入力
の最大振幅）のＰＷＭ波を出力することとなる。このＰ
ＷＭ波出力により図２８（ａ）のトランジスタ８２が高
速でスイッチングされ、ヒータ１５は上記デューティ比
により断続的に通電される。そして、このデューティ比
がヒータ制御電圧値Ｖiに応じて変化することにより、
ヒータ１５の発熱が調整される。

【００４８】図５に戻り、全領域酸素センサ３は、その
酸素ポンプ素子５の出力電流値（以下、ポンプ電流とい
う）Ｉが電流検出用抵抗器７０（抵抗値ＲJ）とオペア
ンプ７１により電圧変換され、さらにＡ／Ｄ変換器７２
でデジタル化されて、マイクロプロセッサ５１に入力さ
れる。なお、７１ａ〜７１ｄは、オペアンプ７１を差動
増幅器として機能させるための抵抗器である。図７は、
全領域酸素センサ３の作動制御回路の一例を示してい
る。すなわち、濃淡電池素子４の起電力がオペアンプ７
５（７６，７７は、それぞれ抵抗値Ｒ10、Ｒ11のゲイン
調整用抵抗器）で増幅される。該オペアンプ７５の出力
は、周辺の抵抗器７８ａ〜７８ｄとともに差動増幅器を
構成するオペアンプ７８において基準電圧Ｖ3（電源８
１で与えられる）と比較され、該オペアンプ７８による
その差動増幅出力が酸素ポンプ素子５に入力される。そ
して、検出空間８に排気ガスが導入されると、濃淡電池
素子４には対応する濃淡電池起電力が発生し、その濃淡
電池起電力に応じたポンプ電流Ｉがオペアンプ７８から
出力され、酸素ポンプ素子５は検出空間８への酸素を汲
み込み又は汲み出しを行う。そして、検出空間８内の酸
素濃度が、基準電圧Ｖ3に対応して定まる値に到達した
ときのポンプ電流Ｉは、排気ガス中の酸素濃度を反映し
た値となる。そして、図５において、電流検出用抵抗器
７０の両端電圧の差（すなわちポンプ電流Ｉによる電流
検出用抵抗器７０での電圧降下）を増幅するオペアンプ
７１の出力電圧は、該ポンプ電流Ｉに対応した値とな
る。

【００４９】次に、マイクロプロセッサ５１のＲＡＭ５
３にはＣＰＵ５２のワークエリア５３ａが形成されてい
る。また、ＲＯＭ５４には、センサシステム５０の被検
出成分の検出出力制御を司る制御プログラム５４ａと、
下記の各マップデータが記憶されている。酸素センサ出力−酸素濃度マップ５４ｂ：図１０に示
すように、全領域酸素センサ３のポンプ電流Ｉの値を、
各ポンプ電流Ｉが示す排気ガス中の酸素濃度Ｃの値と対
応付けて記憶する。該マップ５４ｂは、例えば図２３に
示す実験データに基づいて作成することができる。ＨＣ濃度−電気抵抗値マップ５４ｃ：図１１に示すよ
うに、濃度検出半導体層１６の電気抵抗値Ｒ（ただし、
Ｒは前述の温度補償された値Ｒ1−Ｒ2とする）と、各電
気抵抗値Ｒの示す排気ガス中のＨＣ濃度（被検出成分濃
度）ＣHCとの関係を、酸素濃度Ｃの各種値毎に示す。

【００５０】以下、センサシステム５０の作動について
フローチャートを用いて説明する。まず、排気ガスセン
サ１を排気管に取り付け、その各部を図５〜図７に示す
ように回路接続する。次いで、全領域酸素センサ３の第
一ヒータ９に通電して、濃淡電池素子４と酸素ポンプ素
子５とを作動温度に加熱するとともに、図７の回路によ
り酸素ポンプ素子５を作動させる。また、図６の回路に
より第二ヒータ１５を作動させて濃度検出半導体層１６
（図１）を作動温度に加熱する。

【００５１】この状態で排気ガスを導入すると、その排
気ガス中の酸素濃度を全領域酸素センサ３が、被検出成
分としてのＨＣの濃度を被検出成分濃度検出素子２がそ
れぞれ検出して、それぞれ対応する出力がマイクロプロ
セッサ５１に入力される。図１７に示すようにマイクロ
プロセッサ５１では、クロック回路５５からのクロック
パルスを参照して検出タイミングの計測を行い、Ｓ１で
検出タイミングが到来したら、Ｓ２でポンプ電流Ｉの情
報（すなわち、オペアンプ５９の出力）のサンプリング
を行い、Ｓ３で酸素センサ出力−酸素濃度マップ５４ｂ
を参照してポンプ電流Ｉに対応する酸素濃度ＣOを補間
法により決定する。なお、図１０に示すように、マップ
５４ｂに代えてポンプ電流Ｉと酸素濃度ＣOとの関係を
示す関数式（ＣO＝ｆ（Ｉ））を記憶しておき、該式に
基づいてＣOを計算するようにしてもよい（以下の各マ
ップについても同様）。

【００５２】次に、Ｓ４において、決定された酸素濃度
ＣOにおけるＨＣ濃度ＣHCと電気抵抗値Ｒとの関係示す
マップを、ＨＣ濃度−電気抵抗値Ｒマップ５４ｃを用い
て作成し、Ｓ５においてこれをＲＡＭ５３内のマップ格
納エリア５３ｂに格納する。マップ作成方法の概念を図
１５に示している。すなわち、決定された酸素濃度ＣOx
が、マップ５４ｃ上のＣOmとＣOnとの間の値（ただし、
ＣOm＞ＣOnとする）であったとすれば、各電気抵抗値Ｒ
p（ｐ＝１，２，３，‥‥）に対応するＨＣ濃度ＣHCpx
（ｐ＝１，２，３，‥‥）は、酸素濃度ＣOm、ＣOx及び
ＣOnの各値と、酸素濃度ＣOm及びＣOnにおいて電気抵抗
値Ｒpに対応するＨＣ濃度ＣHCpm及びＣHCpn（ｐ＝１，
２，３，‥‥）の値とを用いて、図１５（ｂ）に示す直
線補間の原理により、図１５（ａ）の(9)式を用いて算
出することができる。

【００５３】次に、Ｓ６において、濃度検出半導体層１
６の電気抵抗値Ｒの情報（すなわち、オペアンプ５９の
出力）のサンプリングを行い、Ｓ７において、上記サン
プリングされた電気抵抗値Ｒに対応するＨＣ濃度を、Ｒ
ＡＭ５３に格納されたマップ５４を参照して補間法によ
り決定し、決定された値をＨＣ濃度の最終的な検出値と
して出力する。以下、検出タイミングが到来する毎に、
Ｓ１以下の処理が繰り返される。

【００５４】なお、図３（ｄ）に示すように、濃度検出
半導体層１６とサーミスタ１７とを互いに異なる材質の
酸化物半導体で構成することもできる。この場合、図９
（ｂ）に示すように、両者のベース抵抗値は各温度にお
いて互いに異なるものとなるので、濃度検出半導体層１
６側の分圧電圧Ｖdとサーミスタ１７側の分圧電圧Ｖth
とは差分を取らずに、図８（ａ）に示すように、それぞ
れ独立にＡ／Ｄ変換器６２ａ及び６２ｂを介してマイク
ロプロセッサ５１に入力するようにする。そして、図５
のＲＯＭ５４には、図１６に示すように、各温度毎及び
各酸素濃度毎のＨＣ濃度−電気抵抗値Ｒマップ５４ｄを
記憶する一方、サーミスタ１７からの入力を用いて濃度
検出半導体層１６の温度Ｔxを決定し、該Ｔxを挟んで隣
接する温度Ｔm，Ｔnのマップ間で補間を行って、温度Ｔ
xにおけるマップを作成し、さらにその作成された温度
Ｔxのマップ上で前述と同様の方法により、決定された
酸素濃度ＣOxに対応するＨＣ濃度−電気抵抗値Ｒマップ
を作成して、そのマップに基きＨＣ濃度ＣHCを決定する
ようにすればよい。

【００５５】なお、第二ヒータ１５の発熱制御を精密に
行うことで、濃度検出半導体層１６の温度変動を十分小
さくできる場合には、温度変化に起因した測定中のベー
ス抵抗値Ｒ0の変動も小さくなるから、図８（ｂ）に示
すように、オペアンプ５９により濃度検出半導体層１６
側の電圧とサーミスタ１７側の電圧との差分を取らず
に、濃度検出半導体層１６側の電圧のみをマイクロプロ
セッサ５１に入力するようにしてもよい。

【００５６】また、濃度検出半導体層１６に使用される
酸化物半導体の種類と、被検出成分との種類によって
は、濃度検出半導体層１６が示すベース抵抗値Ｒ0が、
排気ガス中の酸素濃度ＣOに応じて変化しても、濃度検
出半導体層１６の検出抵抗値をＲとしてＲC＝（Ｒ0−
Ｒ）／Ｒにより表される換算抵抗値ＲCがＣＨ濃度ＣCH
との間で、酸素濃度ＣOによらずほぼ一定の関係を示す
ことがある。例えば、図２５は、ＨＣがプロピレンであ
り、酸化物半導体がＳｎＯ₂である場合について、濃度
検出半導体層１６の抵抗値Ｒ1とＨＣ濃度ＣDとを各酸素
濃度毎に測定した例を示している。このように、Ｒ1と
ＣDとは酸素濃度毎に異なった依存性を示すが、図２６
に示すベース抵抗値Ｒ0を用いてＲCを計算し、このＲC
の値をＨＣ濃度ＣDに対してプロットすれば、図２７に
示すように、酸素濃度ＣによらずＲCはほぼ一定のＨＣ
濃度依存性を示していることがわかる。これを利用すれ
ば、ＨＣ濃度を決定するためのマップデータの量を減ず
ることができ、ひいてはより効率的なＨＣ濃度の決定処
理が可能となる。以下、その例について説明する。

【００５７】まず、回路構成は、図８（ｂ）に示す形態
とする。また、図５のＲＯＭ５４には、前述の酸素セン
サ出力−酸素濃度マップ５４ｂの他に、以下のマップを
格納しておく。酸素濃度−ベース抵抗マップ５４ｅ（Ｒ0−ＣO関係情
報）：図１２に示すように、排気ガス中の酸素濃度ＣO
の値と、各酸素濃度ＣOにおける濃度検出半導体層１６
のベース抵抗Ｒ0の値と対応付けて記憶する。なお、本
実施例の場合は、ベース抵抗値Ｒ0に対応する端子２０
ａの分圧電圧の値で代用してもよい。図２６は、濃度検
出半導体層１６のベース抵抗値Ｒ0と酸素濃度Ｃとの関
係を測定した実験データ（酸化物半導体としてＳｎＯ₂
を使用）を示しており、これに基づいて該マップ５４ｅ
を作成することができる。ＨＣ濃度−ＲCマップ５４ｆ（ＲC−ＣD関係情報）：
図１４に示すように、濃度検出半導体層１６の電気抵抗
値Ｒ（ただし、Ｒは前述の温度補償された値Ｒ1−Ｒ2と
する）と、ベース抵抗値Ｒ0とを用いてＲC＝（Ｒ0−
Ｒ）／Ｒにより表される換算抵抗値ＲCと、各換算抵抗
値ＲCが示す排気ガス中のＨＣ濃度（被検出成分濃度）
ＣDとの関係を示す。

【００５８】その場合の処理の流れを図１８に示してい
る。Ｓ１１〜Ｓ１３までは、図１７のＳ１〜Ｓ３と同じ
である。次に、Ｓ１４において、決定された酸素濃度Ｃ
Oに対応するベース抵抗値Ｒ0を、酸素濃度−ベース抵抗
マップ５４ｅを参照して補間法により決定する。また、
Ｓ１５において、濃度検出半導体層１６の電気抵抗値Ｒ
の情報（すなわち、オペアンプ５９の出力）のサンプリ
ングを行い、Ｓ１６において、上記決定されたベース抵
抗値Ｒ0とサンプリングされた電気抵抗値Ｒとを用い
て、前述の換算抵抗ＲCを計算する。そして、Ｓ１７に
おいて、計算されたＲCに対応するＨＣ濃度をＨＣ濃度
−ＲCマップ５４fを参照して補間法により決定し、決定
された値をＨＣ濃度の最終的な検出値として出力する。
以下、検出タイミングが到来する毎に、Ｓ１１以下の処
理が繰り返される。

【００５９】なお、全領域酸素センサ３の出力を、上述
のようにＨＣ濃度の補正処理にのみ使用する場合は、酸
素センサ出力−酸素濃度マップ５４ｂと酸素濃度−ベー
ス抵抗マップ５４ｅとに代えて、図１３に示すように、
酸素センサ出力としてのポンプ電流値Ｉにベース抵抗値
Ｒ0を対応させたマップ５４ｇを用い、Ｉの値から直接
Ｒ0を決定するようにしてもよい。

【００６０】図１９（ａ）に示すように、濃度検出半導
体層１６及びサーミスタ１７は、第一ヒータ９の、酸素
ポンプ素子５に面さない側の板面上に形成することもで
きる。この場合、同図（ｂ）に示すように、ヒータ９の
発熱部９ａが検出空間８に対応して位置している場合、
濃度検出半導体層１６とサーミスタ１７とは、酸素ポン
プ素子５よりも低温となるように、該発熱部９ａから所
定の距離だけ離間した位置に形成しておくことが望まし
い。なお、該構成において第一ヒータ９は、被検出成分
濃度検出素子２を加熱するヒータにも兼用されており、
濃度検出半導体層１６及びサーミスタ１７とともに被検
出成分濃度検出素子２を構成していると見ることができ
る。一方、図２０に示すように、濃度検出半導体層１６
及びサーミスタ１７は、濃淡電池素子４の検出空間８に
面さない側の板面上に形成することもできる。この場合
は、濃度検出半導体層１６は、第一ヒータ９の発熱によ
り濃淡電池素子４を介して間接的に加熱されることとな
る。これらにおいて、第一ヒータ９の温度制御が図示し
ない別の制御系により精密に行われ、濃度検出半導体層
１６の温度変動を比較的小さく抑さえることができる場
合には、サーミスタ１７を省略してもよい。

【００６１】以下、上記排気ガスセンサ１あるいはセン
サシステム５０の応用例について説明する。まず、図２
１はガソリンエンジンの排気ガス浄化システムを模式的
に示しており、排気管に対しエンジンに近い側から、エ
ンジンの空燃比制御のための酸素センサと、排気ガス
中のＨＣの酸化とＮＯ_Xの還元とを同時に行ってこれを
浄化する三元触媒コンバータとが配置されており、そし
てそのさらに下流側に本発明の排気ガスセンサ１が取り
付けられている。該排気ガスセンサ１は、触媒の劣化判
別のために浄化後の排気ガス中のＨＣ濃度を測定すると
ともに、全領域酸素センサの出力（ポンプ電流Ｉ）をＨ
Ｃ濃度検出値の補正用だけでなく、酸素センサの劣化
状態監視用の酸素濃度検出出力としても使用している。

【００６２】一方、図２２は、ディーゼルエンジンの排
気ガス中の排気ガス浄化システムを模式的に示してお
り、排気管に対しエンジンに近い側から、ＨＣ源として
の軽油を排気ガス中に噴射するための軽油噴射弁と、Ｎ
Ｏ_X浄化触媒とがこの順序で配置されており、該ＮＯ_X浄
化触媒は軽油噴射により添加されたＨＣを還元剤として
ＮＯ_Xを窒素と酸素とに分解することによりこれを浄化
する働きをなす。そして、本発明の排気ガスセンサ１は
上記ＮＯ_X浄化触媒の上流側に配置され、排気ガス中に
噴射すべき軽油の量をフィードバック制御するために、
軽油噴射後の排気ガス中のＨＣ濃度をモニタする役割を
果たすとともに、その全領域酸素センサの出力をエンジ
ン空燃比制御のための酸素濃度検出出力として使用して
いる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の排気ガスセンサの一例を示す分解斜視
図及びその内部構造を示す一部切欠き斜視図。

【図２】図１の排気ガスセンサの断面模式図。

【図３】被検出成分濃度検出素子の平面図と、その細部
の説明図。

【図４】被検出成分濃度検出素子の製造工程を示す分解
斜視図。

【図５】本発明のセンサシステムの一例におけるその電
気的構成を示すブロック図。

【図６】第二ヒータの発熱制御部の一例を示す回路図。

【図７】全領域酸素センサの作動制御部の一例を示す回
路図。

【図８】センサシステムのいくつかの変形例の電気的構
成を示すブロック図。

【図９】サーミスタと濃度検出半導体層の電気抵抗値と
ＨＣ濃度との関係を模式的に示す図。

【図１０】補正参照情報を構成する第一のデータマップ
の説明図。

【図１１】同じく第二のデータマップの説明図。

【図１２】同じく第三のデータマップの説明図。

【図１３】同じく第四のデータマップの説明図。

【図１４】同じく第五のデータマップの説明図。

【図１５】上記第五のデータマップを用いた補間演算の
説明図。

【図１６】補正参照情報を構成する第六のデータマップ
の説明図。

【図１７】図５のマイクロプロセッサの行う処理の流れ
を示すフローチャート。

【図１８】同じく別のフローチャート。

【図１９】本発明の排気ガスセンサの変形例を示す断面
模式図。

【図２０】同じく別の変形例を示す断面模式図。

【図２１】本発明の排気ガスセンサの応用例を示す模式
図。

【図２２】同じく別の応用例を示す模式図。

【図２３】酸素ポンプ電流と酸素濃度との関係の一例を
示すグラフ。

【図２４】各種酸素濃度における濃度検出半導体層の電
気抵抗値の温度依存性の一例を示すグラフ。

【図２５】各種酸素濃度における濃度検出半導体層の電
気抵抗値のＨＣ濃度依存性の一例を示すグラフ。

【図２６】濃度検出半導体層のベース電気抵抗値の酸素
濃度依存性の一例を示すグラフ。

【図２７】各種酸素濃度における濃度検出半導体層の換
算抵抗のＨＣ濃度依存性の一例を示すグラフ。

【図２８】発熱制御回路の変形例を示すブロック図。

【図２９】ヒータのＰＷＭ制御の説明図。

【符号の説明】

１排気ガスセンサ２被検出成分濃度検出素子３全領域酸素センサ（酸素濃度検出素子）４濃淡電池素子５酸素ポンプ素子８検出空間９第一ヒータ１５第二ヒータ１６濃度検出半導体層（濃度検出部）１７サーミスタ（温度検出部）２３ガス遮断層５０排気ガスセンサシステム５１マイクロプロセッサ５１ａＩ／Ｏポート（補正出力手段）５２ＣＰＵ（被検出成分濃度出力情報決定手段、補正
出力手段）５４ＲＯＭ（補正参照情報記憶手段）１５０発熱制御回路（発熱制御手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者黒木由美愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内 (72)発明者大島崇文愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号日本特殊陶業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】排気ガスとの接触に伴い該排気ガス中の
被検出成分濃度に応じて電気抵抗値を変化させる酸化物
半導体で構成された濃度検出部を有し、該濃度検出部の
電気抵抗値を反映した情報（以下、濃度検出電気抵抗情
報という）を、前記排気ガス中の被検出成分濃度の検出
情報として出力する被検出成分濃度検出素子と、前記排気ガス中の酸素濃度を検出し、その酸素濃度の検
出情報を、前記被検出成分濃度検出素子による前記被検
出成分濃度の検出情報を補正するための、被検出成分濃
度補正情報として出力する酸素濃度検出素子と、を備えたことを特徴とする排気ガスセンサ。
【請求項２】前記酸素濃度検出素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により形成され、
電圧印加に伴い検出空間に対する酸素の汲み込み又は汲
み出しを行う酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により形成され、
前記酸素ポンプ素子との間に前記検出空間が形成される
ように、該酸素ポンプ素子に対向して配置されるとも
に、その検出空間に導入された前記排気ガス中の酸素濃
度と基準酸素濃度との差に応じた濃淡電池起電力を発生
する濃淡電池素子と、それら酸素ポンプ素子と濃淡電池素子とを、所定の作動
温度に加熱する第一ヒータとを備えるとともに、前記濃淡電池素子の濃淡電池起電力が予め定められた値
に維持されるように前記検出空間に対し前記酸素の汲み
込み又は汲み出しが行なわれるときの、前記酸素ポンプ
素子に流れる電流を反映した情報（以下、ポンプ電流情
報という）を、前記酸素濃度の検出情報として出力する
全領域酸素センサとされ、前記被検出成分濃度検出素子は、該全領域酸素センサの
前記検出空間の外側に設けられている請求項１記載の排
気ガスセンサ。
【請求項３】酸素イオン伝導性を有する固体電解質に
より形成され、電圧印加に伴い検出空間に対する酸素の
汲み込み又は汲み出しを行う酸素ポンプ素子と、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により形成され、
前記酸素ポンプ素子との間に前記検出空間が形成される
ように、該酸素ポンプ素子に対向して配置されるとも
に、その検出空間に導入された排気ガス中の酸素濃度と
基準酸素濃度との差に応じた濃淡電池起電力を発生する
濃淡電池素子と、それら酸素ポンプ素子と濃淡電池素子とを、所定の作動
温度に加熱する第一ヒータとを備えるとともに、前記濃淡電池素子の濃淡電池起電力が予め定められた値
に維持されるように前記検出空間に対し酸素の汲み込み
又は汲み出しが行なわれるときの、前記酸素ポンプ素子
に流れる電流を反映した情報（以下、ポンプ電流情報と
いう）を、前記排気ガス中の酸素濃度の検出情報として
出力する全領域酸素センサと、該全領域酸素センサの前記検出空間の外側に設けられる
とともに、前記排気ガスとの接触に伴い、その被検出成
分濃度に応じて電気抵抗値を変化させる酸化物半導体で
構成された濃度検出部を有し、該濃度検出部の電気抵抗
値を反映した情報（以下、濃度検出電気抵抗情報とい
う）を、前記排気ガス中の被検出成分濃度の検出情報と
して出力する被検出成分濃度検出素子と、を備えたことを特徴とする排気ガスセンサ。
【請求項４】前記被検出成分濃度検出素子は、前記濃度検出部を所定の作動温度に加熱するための第二
ヒータと、前記濃度検出部の近傍に配置されて該濃度検出部の温度
を検出し、該温度の検出情報を、前記第二ヒータの発熱
を制御するための発熱制御情報として出力する温度検出
部と、を含む請求項１ないし３のいずれかに記載の排気ガスセ
ンサ。
【請求項５】前記濃度検出部は、前記第二ヒータの表
面に形成された層状の半導体検出部からなる濃度検出半
導体層とされており、前記温度検出部は、同じく前記第二ヒータの表面におい
て、前記濃度検出半導体層に近接して層状に形成され、
温度に応じてその電気抵抗を変化させるとともに、その
電気抵抗値を反映した情報（以下、温度検出電気抵抗情
報という）を前記温度の検出情報として出力するサーミ
スタである請求項４記載の排気ガスセンサ。
【請求項６】前記サーミスタの表面が、前記排気ガス
との接触を遮断するガス遮断層で覆われている請求項５
記載の排気ガスセンサ。
【請求項７】前記サーミスタは、前記濃度検出半導体
層と同一材質の酸化物半導体により構成されて、その表
面が前記ガス遮断層で覆われており、該サーミスタによる前記温度検出電気抵抗情報の出力と
前記濃度検出半導体層による濃度検出電気抵抗情報の出
力との差が、温度補償された前記被検出成分の濃度検出
情報として取り出される請求項６記載の排気ガスセン
サ。
【請求項８】前記酸素ポンプ素子と前記濃淡電池素子
とは、前記検出空間を挟んで互いに対向する板状に形成
され、また、前記第一ヒータは、それら対向配置された
酸素ポンプ素子と前記濃淡電池素子との組に対し、その
酸素ポンプ素子側に対向配置される板状に形成される一
方、前記第二ヒータは、前記酸素ポンプ素子と前記濃淡電池
素子との組に対し、その前記濃淡電池素子側に対向配置
される板状に形成され、前記濃度検出半導体層と前記層状のサーミスタとは、前
記第二ヒータの、前記濃淡電池素子側に面さない板面上
に形成されている請求項５ないし７のいずれかに記載の
排気ガスセンサ。
【請求項９】請求項１ないし８のいずれかに記載の排
気ガスセンサと、前記酸素濃度検出素子から出力される前記酸素濃度の検
出情報に基づいて、前記被検出成分濃度検出素子による
前記排気ガス中の被検出成分濃度の検出情報を補正する
とともに、その補正結果が反映された前記被検出成分の
濃度情報を出力する補正出力手段と、を備えたことを特徴とする排気ガスセンサシステム。
【請求項１０】前記補正出力手段は、前記排気ガス中の被検出成分の濃度と、前記排気ガス中
の酸素濃度と、前記濃度検出部の電気抵抗値との相互関
係を示す補正参照情報を記憶する補正参照情報記憶手段
と、前記酸素濃度の検出情報と前記濃度検出電気抵抗情報と
に基づいて、前記補正参照情報を参照しつつ、出力すべ
き被検出成分濃度の情報を決定する被検出成分濃度出力
情報決定手段とを備える請求項９記載の排気ガスセンサ
システム。
【請求項１１】前記補正参照情報記憶手段は前記補正
参照情報として、前記濃度検出部の出力抵抗値Ｒと前記
排気ガス中の被検出成分濃度ＣDとの関係を、前記排気
ガス中の酸素濃度ＣOの各種値毎に示すＲ−ＣD−ＣO関
係情報を記憶しており、前記被検出成分濃度出力情報決定手段は、前記酸素濃度の検出情報が示す酸素濃度ＣOにおいて、
前記濃度検出電気抵抗情報が示す前記濃度検出部の抵抗
値（以下、出力抵抗値という）Ｒと前記排気ガス中の被
検出成分濃度ＣDとの関係を示すＲ−ＣD関係情報を、前
記Ｒ−ＣD−ＣO関係情報を参照して決定し、前記濃度検出部の出力抵抗値Ｒに対応する前記被検出成
分濃度ＣDの値を、前記決定されたＲ−ＣD関係情報を参
照して、前記出力すべき被検出成分濃度の情報として決
定するものである請求項１０記載の排気ガスセンサシス
テム。
【請求項１２】前記補正参照情報記憶手段は前記補正
参照情報として、前記排気ガス中に前記被検出成分が実質的に存在しない
場合に前記濃度検出部が示すベース抵抗値Ｒ0と、前記
排気ガス中の酸素濃度ＣOとの関係を示すＲ0−ＣO関係
情報と、前記濃度検出部の出力抵抗値Ｒと前記ベース抵抗値Ｒ0
とを用いてＲC＝（Ｒ0−Ｒ）／Ｒにより表される換算抵
抗値ＲCと、前記排気ガス中の被検出成分濃度ＣDとの関
係を示すＲC−ＣD関係情報とを記憶しており、前記被検出成分濃度出力情報決定手段は、前記酸素濃度の検出情報が示す酸素濃度ＣOでの前記ベ
ース抵抗値Ｒ0を、前記Ｒ0−ＣO関係情報を参照して決
定し、前記濃度検出電気抵抗情報が示す前記濃度検出部の抵抗
値Ｒと前記決定されたベース抵抗値Ｒ0とにより、前記
換算抵抗値ＲCを算出し、さらに、その算出された換算抵抗値ＲCに対応する被検
出成分濃度ＣDの値を、前記ＲC−ＣD関係情報を参照し
て、前記出力すべき被検出成分濃度の情報として決定す
るものである請求項１０記載の排気ガスセンサシステ
ム。
【請求項１３】前記温度検出部による温度検出情報に
基づいて、前記濃度検出部の温度が所定の温度域に収ま
るように、前記第二ヒータの発熱を制御する発熱制御手
段を備える請求項９ないし１２のいずれかに記載の排気
ガスセンサシステム。
【請求項１４】前記発熱制御手段は、前記濃度検出部
の温度を前記酸素濃度検出素子の作動温度よりも低温と
なるように、前記第二ヒータの発熱を制御するものであ
る請求項１３記載の排気ガスセンサシステム。
【請求項１５】前記サーミスタは、前記濃度検出半導
体層と同一材質の酸化物半導体により構成されて、その
表面が前記ガス遮断層で覆われており、該サーミスタによる前記温度検出電気抵抗情報の出力と
前記濃度検出半導体層による濃度検出電気抵抗情報の出
力との差が、温度補償された前記被検出成分の濃度検出
情報として取り出される請求項９ないし１４のいずれか
に記載の排気ガスセンサシステム。