JPH112620A

JPH112620A - ガスセンサ

Info

Publication number: JPH112620A
Application number: JP9157068A
Authority: JP
Inventors: Nobuhide Kato; 伸秀加藤; Yasuhiko Hamada; 安彦濱田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-06-13
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 1999-01-06

Abstract

(57)【要約】【課題】故障であるか否かを、迅速に、かつ確実に検出
することができる自己診断機能を有したガスセンサを提
供することにある。【解決手段】第１室１８内の酸素をポンピング処理する
主ポンプセル２６と、第２室２０内の酸素をポンピング
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を具備し、測定用ポンプセ
ル６０に流れるポンプ電流Ｉｐに基づいて被測定ガス中
のＮＯｘ成分を測定するガスセンサにおいて、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
値と規定値とを比較し、その比較結果に基づいて故障判
別を行う自己診断装置２０２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，Ｈ₂Ｏ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伝導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電極と酸素イオン伝導性の固体
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電極と酸素イオン伝導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】そして、本発明は、上
述のようなガスセンサにおいて、故障であるか否かを、
迅速に、かつ確実に検出することができる自己診断機能
を有したガスセンサを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】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
理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ
手段のポンピング処理によって該測定用ポンプ手段に流
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において、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、所定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と規定値とを比
較し、その比較結果に基づいて故障判別を行う自己診断
手段を設けて構成する。

【００１０】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、次の測定用ポンプ手段に導かれる。測定用ポンプ手
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。前記測定用ポンプ手段によ
りポンピング処理される酸素の量に応じて該測定用ポン
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。所定ガス成分としては例え
ばＮＯｘが挙げられる。

【００１１】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。

【００１２】そして、前記所定ガス成分の測定動作が行
われている間に、インピーダンス検出手段を通じて、所
定の電極間のインピーダンス値が検出され、更に、自己
診断手段において、前記インピーダンス値と規定値とが
比較され、その比較結果に基づいて故障判別が行われ
る。

【００１３】一般に、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、ガスセンサの温度はガスセンサのインピーダン
スに比例する。従って、ヒータに電力を供給しているに
も拘わらずインピーダンス値が規定値に到達しないとい
うことは、何らかの原因（例えば、ヒータの断線や電極
の異常等）でガスセンサが故障していることであり、本
発明は、この原理を利用することによって、ガスセンサ
の故障を判別するようにしている。

【００１４】これにより、本発明においては、現在、ガ
スセンサが故障状態にあるか否かを、早期に、かつ確実
に検出することができ、ガスセンサの保守管理に迅速に
対応させることができる。なお、ガスセンサの故障とし
ては、例えばヒータの断線や電極の異常があり、この電
極の異常としては、例えば熱害による電極の消耗や剥離
又は被毒及び目詰まり等による該電極の触媒活性の低下
などが挙げられる。

【００１５】そして、前記インピーダンス検出手段にお
いて、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を検出するようにしても
よく、前記測定用ポンプ手段側の検出電極と基準ガスに
露呈する基準電極間のインピーダンスを検出するように
してもよい。

【００１６】次に、本発明に係るガスセンサにおいて
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において、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、所定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と規定値とを比較し、その
比較結果に基づいて故障判別を行う自己診断手段を設け
て構成する。

【００１７】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基準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発生し、該起電力に
基づいて、酸素量に応じた所定ガス成分が測定される。

【００１８】この場合も、前記所定ガス成分の測定動作
が行われている間に、インピーダンス検出手段を通じ
て、所定の電極間のインピーダンス値が検出され、更
に、自己診断手段において、前記インピーダンス値と規
定値とが比較され、その比較結果に基づいて故障判別が
行われる。これにより、現在、ガスセンサが故障である
か否かを、迅速に、かつ確実に検出することができる。

【００１９】前記インピーダンス検出手段においては、
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ようにしてもよく、前記
濃度検出手段側の検出電極と基準ガスに露呈する基準電
極間のインピーダンスを検出するようにしてもよい。

【００２０】そして、上述した本発明に係るガスセンサ
において、前記自己診断手段を、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が所定時間にわ
たって前記規定値に達しない場合に故障として認定する
ように構成するようにしてもよい。

【００２１】この場合、自己診断手段としては、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
と前記規定値とを比較する比較手段と、前記比較手段か
らの比較出力を一時的にあるいは定期的に監視し、比較
出力が所定時間にわたって前記規定値に達しない場合に
故障として認定する監視手段を設けて構成することがで
きる。

【００２２】また、前記監視手段は、所定条件の完了時
に、前記比較手段からの比較出力を前記所定時間にわた
って監視するように構成してもよいし、一定の時間間隔
で前記比較手段からの比較出力を前記所定時間にわたっ
て監視するように構成してもよい。また、これらを組み
合わせた構成にしてもよい。

【００２３】

【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，Ｈ₂Ｏ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。

【００２４】まず、第１の実施の形態に係るガスセンサ
２００Ａは、図１に示すように、ＺｒＯ₂等の酸素イオ
ン伝導性固体電解質を用いたセラミックスからなる例え
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１０
ｄ及び１０ｆとされている。

【００２５】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。

【００２６】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。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】外部空間と前記第１室１８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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３
５ｖｏｌ％にすることが好ましい。

【００４２】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。

【００４３】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。

【００４４】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａにおいては、前記第１の固体電解質層１０
ｄ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。

【００４５】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、これによって、第２室２０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。

【００４６】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。

【００４７】更に、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａでは、第１及び第２の基板層１０ａ及び１
０ｂ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、酸素イオンの伝導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１０
ａ及び１０ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等
のセラミック層６８が形成されている。

【００４８】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。

【００４９】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａ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２
２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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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。

【００５３】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タイプ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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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５
００ｍＶ以下に設定されることが望ましく、１００〜３
００ｍＶ程度が最適である。

【００５７】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。

【００５８】ここで、前記ガスセンサ２００Ａの動作に
ついて説明する。まず、ガスセンサ２００Ａ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。

【００５９】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。

【００６０】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、このため、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ＮＯｘ還元
性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで
達成される。

【００６１】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。

【００６２】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。

【００６３】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Ｌａ₃ＣｕＯ₄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。

【００６４】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。

【００６５】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。

【００６６】しかし、この第１の実施の形態に係るガス
センサ２００Ａ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。

【００６７】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。

【００６８】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。

【００６９】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、測定用ポンプセル６０に流れるポンプ電流Ｉ
ｐ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Ｎ
Ｏｘ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６
０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。

【００７０】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。

【００７１】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。

【００７２】具体的には、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、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
内の測定ガス温度は徐々に上昇することとなる。

【００７３】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、
センサ素子内の被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。

【００７４】これにより、前記第１の実施の形態に係る
ガスセンサ２００Ａにおいては、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。

【００７５】また、第１の実施の形態に係るガスセンサ
２００Ａ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。つまり、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。

【００７６】そして、この第１の実施の形態に係るガス
センサ２００Ａにおいては、図１に示すように、インピ
ーダンス検出回路７０の後段に当該ガスセンサ２００Ａ
の状態を監視する自己診断装置２０２が接続されてい
る。

【００７７】具体的には、図４に示すように、フィルタ
回路８６の出力ラインＬ１が２つに分岐され、一方の出
力ラインＬ₁₁がヒステリシス付きコンパレータ８８に接
続され、他方の出力ラインＬ₁₂が前記自己診断装置２０
２に接続されて構成されている。

【００７８】この自己診断装置２０２は、図５に示すよ
うに、前記フィルタ回路８６からの電圧信号Ｖｆのレベ
ルと規定レベルＥｂとを比較するコンパレータ２０４
と、所定のクロックＰｃを発生するクロック発生器２０
６と、外部に設置された図示しない例えばマイクロコン
ピュータからの指示信号Ｓｇの入力に基づいてトリガー
パルス信号Ｐｔを発生するトリガーパルス発生回路２０
８と、トリガーパルス発生回路２０８からのトリガーパ
ルス信号Ｐｔの入力に基づいて所定パルス幅のウィンド
ウパルスＰｗを生成するウィンドウパルス生成回路２１
０と、該ウィンドウパルス生成回路２１０から出力され
るウィンドウパルスＰｗのパルス幅内において電圧信号
Ｖｆのレベルが規定レベルＥｂに到達したか否かを判定
する判定回路２１２と、該判定回路２１２からの判定結
果を解読して表示用の制御信号として出力するデコーダ
２１４と、該デコーダ２１４からの制御信号の属性に対
応した表示信号又は表示データを表示装置２１８に出力
する表示用コントローラ２１６を有して構成されてい
る。

【００７９】コンパレータ２０４は、電圧信号Ｖｆのレ
ベルが規定レベルＥｂよりも高い場合に、例えば高レベ
ルの信号Ｓｈを出力し、前記電圧信号Ｖｆのレベルが規
定レベルＥｂよりも低い場合に、低レベルの信号Ｓｈを
出力する（図６参照）。

【００８０】トリガーパルス発生回路２０８は、例え
ば、外部からの指示信号Ｓｇの入力に基づいてイネーブ
ル状態となり、例えば最初のクロックＰｃの立ち上がり
タイミングで１つのトリガーパルスＰｔを発生し、それ
以降、所定のクロック数を計数する毎にトリガーパルス
Ｐｔを発生する。

【００８１】ウィンドウパルス生成回路２１０は、トリ
ガーパルス発生回路２０８からのトリガーパルスＰｔの
入力に基づいてイネーブル状態となり、例えば最初のク
ロックＰｃの立ち上がりタイミングで立ち上がり、所定
のクロック数を計数した時点で立ち下がる１つのウィン
ドウパルスＰｗを生成する（図６及び図７参照）。

【００８２】判定回路２１２は、ウィンドウパルスＰｗ
とコンパレータ２０４からの出力信号Ｓｈのレベル変化
に応じて２種類の判定信号（第１及び第２の判定信号Ｓ
ｉ１及びＳｉ２）を出力する。

【００８３】第１の判定信号Ｓｉ１は、図６に示すよう
に、例えば、ウィンドウパルスＰｗの立ち上がり時点で
コンパレータ２０４からの出力信号Ｓｈが高レベルであ
る場合に低レベルになり、ウィンドウパルスＰｗのパル
ス幅内にコンパレータ２０４からの出力信号Ｓｈが低レ
ベルとなった時点で高レベルになる信号である。従っ
て、ウィンドウパルスＰｗのパルス幅内にコンパレータ
２０４からの出力信号が低レベルにならない場合、即
ち、電圧信号Ｖｆのレベルが規定レベルＥｂよりも高く
ならない場合、この第１の判定信号Ｓｉ１は低レベルを
維持する。

【００８４】第２の判定信号Ｓｉ２は、例えば、図７に
示すように、第１の判定信号Ｓｉ１が低レベルの場合
に、ウィンドウパルスＰｗの終了時点（立ち下がり時
点）で高レベルとなる信号である。

【００８５】デコーダ２１４は、第１及び第２の判定信
号Ｓｉ１及びＳｉ２がそれぞれ高レベル及び低レベルで
ある場合に、後段の表示用コントローラ２１６に対して
「正常」を示す制御信号（例えば低レベル信号）を出力
し、第１及び第２の判定信号Ｓｉ１及びＳｉ２がそれぞ
れ低レベル及び高レベルである場合に、後段の表示用コ
ントローラ２１６に対して「異常」を示す制御信号（例
えば高レベル信号）を出力する。

【００８６】表示用コントローラ２１６は、デコーダ２
１４から送出される制御信号が「正常」を示す場合に、
後段の表示装置２１８に対して、「正常」を示す情報、
例えば「正常」を示すメッセージやシンボルの表示用デ
ータを出力する。表示装置２１８が例えばＬＥＤ（発光
ダイオード）であれば、例えば消灯を示す信号を出力す
る。

【００８７】一方、デコーダ２１４から送出される制御
信号が「異常」を示す場合は、前記表示用コントローラ
２１６は、「異常」を示す情報、例えば「異常」を示す
メッセージやシンボルの表示用データを出力する。表示
装置２１８が例えばＬＥＤ（発光ダイオード）であれ
ば、例えば点灯を示す信号を出力する。

【００８８】また、前記表示用コントローラ２１６は、
前段のデコーダ２１４から「異常」を示す制御信号が供
給された場合、前記トリガーパルス発生回路２０８に対
してディスエーブル信号Ｓｊを出力して、該トリガーパ
ルス発生回路２０８を停止状態にさせる。

【００８９】第１の実施の形態に係るガスセンサ２００
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、特に、自己診断装置２０２の作用効
果について説明する。

【００９０】まず、このガスセンサ２００Ａが設置され
た装置に対する電源投入に伴って、該装置において初期
動作が行われる。この初期動作はガスセンサ２００Ａに
おけるヒータ６６への通電も含まれる。

【００９１】前記ヒータ６６への通電時点から所定期間
（例えば、ガスセンサ２００Ａへの暖気処理が完了する
時間）が経過した時点で、マイクロコンピュータ（図示
せず）から自己診断装置２０２におけるトリガーパルス
発生回路２０８に対して指示信号Ｓｇが出力される。な
お、ガスセンサ２００Ａが設置される装置が自動車であ
る場合、前記暖気処理完了時は、水温が所定値に到達す
る時点を指す。

【００９２】前記マイクロコンピュータ（図示せず）か
ら指示信号Ｓｇが自己診断装置２０２に供給された時点
から、該自己診断装置２０２によるガスセンサ２００Ａ
に対する監視、即ち、インピーダンス検出回路７０から
のインピーダンス値（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）に対する監視が開始さ
れる。この実施の形態においては、前記インピーダンス
値を電圧変換して得られた電圧信号Ｖｆのレベルに対す
る監視が行われる。

【００９３】そして、図６に示すように、前記所定期間
（ウィンドウパルスＰｗのパルス幅）内において、イン
ピーダンス検出回路７０からのインピーダンス値（電圧
信号Ｖｆのレベル）が規定値（規定レベル）Ｅｂに達し
た場合、判定回路２１２から出力される第１及び第２の
判定信号Ｓｉ１及びＳｉ２がそれぞれ高レベル及び低レ
ベルとなるため、デコーダ２１４からは「正常」を示す
制御信号が出力され、その結果、表示装置２１８におい
て「正常」を示す表示が行われる。

【００９４】その後、マイクロコンピュータ（図示せ
ず）から指示信号Ｓｇが定期的に自己診断装置２０２に
供給され、そのたびにガスセンサ２００Ａに対する自己
診断が行われる。

【００９５】一方、図７に示すように、前記所定期間が
経過しても、前記電圧信号Ｖｆのレベルが規定レベルＥ
ｂに達しない場合は、判定回路２１２から低レベルの第
１の判定信号Ｓｉ１と高レベルの第２の判定信号Ｓｉ２
がそれぞれ出力され、これにより、デコーダ２１４から
「異常」を示す制御信号が出力され、表示装置２１８に
おいて「異常」を示す表示が行われる。この異常判定時
においては、表示用コントローラ２１６からトリガーパ
ルス発生回路２０８に対してディスエーブル信号Ｓｊが
出力され、それ以降の自己診断装置２０２による故障判
定処理が終了し、表示装置２１８において、リセット入
力が行われるまで「異常」を示す表示がなされる。

【００９６】一般に、ガスセンサ２００Ａの温度とガス
センサ２００Ａ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２００Ａの温度は
ガスセンサ２００Ａのインピーダンスに比例する。従っ
て、ヒータ６６に電力を供給しているにも拘わらずイン
ピーダンス値（例えば内側ポンプ電極２２と補助ポンプ
電極５０間のインピーダンス値）が規定値Ｅｂに到達し
ないということは、何らかの原因（例えば、ヒータ６６
の断線や電極の異常等）でガスセンサ２００Ａが故障し
ていることであり、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａの自己診断装置２０２は、この原理を利用
することによって、ガスセンサ２００Ａの故障を判別す
るようにしている。

【００９７】その結果、この第１の実施の形態に係るガ
スセンサ２００Ａにおいては、現在ガスセンサ２００Ａ
が故障状態にあるか否かを、早期に、かつ確実に検出す
ることができ、ガスセンサ２００Ａの保守管理（法規制
を含む）に迅速に対応させることができる。

【００９８】なお、ガスセンサ２００Ａの故障として
は、例えばヒータ６６の断線や電極の異常があり、この
電極の異常としては、例えば熱害による電極の消耗や剥
離又は被毒及び目詰まり等による該電極の触媒活性の低
下などが挙げられる。

【００９９】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
２００Ａの３つの変形例について図８〜図１７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。

【０１００】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２００Ａ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。

【０１０１】即ち、ヒータ制御系は、図８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。

【０１０２】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。

【０１０３】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８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。

【０１０４】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。

【０１０５】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。

【０１０６】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８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。

【０１０７】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に対する一つのし
きい値を構成している。つまり、図９Ａに示すように、
出力信号Ｖｉのレベルが三角波の頂点レベル以上の場合
は、図９Ｂ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１０Ａ及び図
１１Ａ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
１０Ｂ及び図１１Ｂ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。
また、図１２Ａ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以下の場合は、図１２Ｂ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。

【０１０８】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。

【０１０９】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。

【０１１０】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。

【０１１１】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。

【０１１２】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９Ａ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。

【０１１３】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１０Ａ〜図１１
Ｂ参照）。

【０１１４】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１０Ａ及び図１０Ｂ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。

【０１１５】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１１Ａ及び図１１Ｂ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。

【０１１６】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。

【０１１７】そして、この第１の変形例に係るガスセン
サにおいては、図８に示すように、差動増幅器１０４の
出力ラインＬ２が２つに分岐され、一方の出力ラインＬ
₂₁がヒステリシス付きコンパレータ８８に接続され、他
方の出力ラインＬ₂₂が自己診断装置２０２に接続されて
構成されている。この自己診断装置２０２の構成は、該
自己診断装置２０２に前記他方の出力ラインＬ₂₂を通じ
て入力される信号が差動増幅器１０４からの出力信号Ｖ
ｉである点を除けば、図５に示す自己診断装置２０２の
構成と同じであるため、その詳細な説明を省略する。

【０１１８】従って、この第１の変形例に係るガスセン
サにおいても、現在ガスセンサが故障状態にあるか否か
を、早期に、かつ確実に検出することができ、ガスセン
サの保守管理に迅速に対応させることができる。

【０１１９】次に、第２の変形例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。この第２の変形例
に係るガスセンサは、前記第１の変形例に係るガスセン
サ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。

【０１２０】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。

【０１２１】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。

【０１２２】そして、この第２の変形例に係るガスセン
サにおいては、図１３に示すように、差動増幅器１１８
の反転入力端子への入力ラインＬ３が２つに分岐され、
一方の入力ラインＬ₃₁が前記反転入力端子に接続され、
他方の入力ラインＬ₃₂が自己診断装置２０２に接続され
て構成されている。この自己診断装置２０２の構成は、
該自己診断装置２０２に前記他方の入力ラインＬ₃₂を通
じて入力される信号が図８に示す差動増幅器１０４から
の偏差信号Ｖｉである点を除けば、図５に示す自己診断
装置２０２の構成と同じであるため、その詳細な説明を
省略する。

【０１２３】従って、この第２の変形例に係るガスセン
サにおいても、現在ガスセンサが故障状態にあるか否か
を、早期に、かつ確実に検出することができ、ガスセン
サの保守管理に迅速に対応させることができる。

【０１２４】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２００Ａ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１
１８を使用したヒータ制御回路７２とした構成を有す
る。

【０１２５】そして、この第３の変形例に係るガスセン
サにおいては、図１３に示す差動増幅器１１８の他方の
入力ラインＬ₃₁に、図５に示す自己診断装置２０２と同
じ構成を有する自己診断装置２０２が接続されて構成さ
れる。従って、このガスセンサにおいても、ガスセンサ
が故障状態にあるか否かを、早期に、かつ確実に検出す
ることができ、ガスセンサの保守管理に迅速に対応させ
ることができる。

【０１２６】なお、主ポンプセル２６に対するフィード
バック制御系３８の構成としては、図２に示すフィード
バック制御系３８のほか、図１４に示すフィードバック
制御系３８を採用するようにしてもよい。

【０１２７】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。

【０１２８】次に、前記第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａ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Ｖｐ１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２
４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２６の両電極２２及び２４間の電圧は、前記差動増
幅器１２０からの出力電圧Ｖｐ１と等価とされる。

【０１２９】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。

【０１３０】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。

【０１３１】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。

【０１３２】前記第１の実施の形態に係るガスセンサ２
００Ａ（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し、更に自己診断装置２０２にて前
記インピーダンスに基づいてガスセンサ２００Ａが故障
しているかどうかを判定するようにしたが、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
定ガス温度を制御し、また、自己診断処理をするように
してもよい。

【０１３３】 (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間 (4) 外側ポンプ電極２４と検出電極５６間 (5) 検出電極５６と基準電極３２間。

【０１３４】特に、検出電流Ｉｐが流れる検出電極５６
と他の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場合においては、センサ素
子内における検出電極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、その結果、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２００Ａ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。

【０１３５】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
２００Ｂについて図１５〜図１７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。

【０１３６】この第２の実施の形態に係るガスセンサ２
００Ｂは、図１５に示すように、前記第１の実施の形態
に係るガスセンサ２００Ａ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
１２２が設けられている点で異なる。

【０１３７】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、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。

【０１３８】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。

【０１３９】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て規定される酸素分圧が電圧値
として検出される。

【０１４０】ここで、図１６の特性図を参照しながらこ
の第２の実施の形態に係るガスセンサ２００Ｂの検出原
理を説明する。

【０１４１】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。

【０１４２】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１６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。

【０１４３】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。

【０１４４】この第２の実施の形態に係るガスセンサ２
００Ｂにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ２００Ａ（各種変形例を含む）におけるヒータ制御
系と同様のヒータ制御系（インピーダンス検出回路７０
及びヒータ制御回路７２）と自己診断装置２０２を有す
る。

【０１４５】従って、この第２の実施の形態に係るガス
センサ２００Ｂにおいては、前記第１の実施の形態に係
るガスセンサ２００Ａ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。

【０１４６】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。

【０１４７】また、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。

【０１４８】そして、この第２の実施の形態に係るガス
センサ２００Ｂにおいても、前記第１の実施の形態に係
るガスセンサ２００Ａと同様に、自己診断装置２０２を
設けるようにしているため、現在ガスセンサ２００Ｂが
故障状態にあるか否かを、早期に、かつ確実に検出する
ことができ、ガスセンサ２００Ｂの保守管理に迅速に対
応させることができる。

【０１４９】この第２の実施の形態に係るガスセンサ２
００Ｂ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
し、更に自己診断装置２０２にて前記インピーダンスに
基づいてガスセンサ２００Ｂが故障しているかどうかを
判定するようにしたが、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
し、また、自己診断処理をするようにしてもよい。

【０１５０】 (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１２４間 (4) 外側ポンプ電極２４と検出電極１２４間 (5) 検出電極１２４と基準電極３２間。

【０１５１】また、主ポンプセル２６に対するフィード
バック制御系３８の構成としては、図２に示すフィード
バック制御系のほか、図１７に示すように、図１４に示
すフィードバック制御系３８と同じ構成を採用するよう
にしてもよい。この場合、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。

【０１５２】上述した第１及び第２の実施の形態に係る
ガスセンサ２００Ａ及び２００Ｂ（各種変形例を含む）
においては、自己診断装置として、図５に示すような構
成を採用しているが、これはあくまでも一例であり、種
々のデジタル回路やアナログ回路の組み合わせで構成す
ることができる。

【０１５３】また、上述の自己診断装置２０２は、イン
ピーダンス検出回路の最終段からの出力をモニタするこ
とによってガスセンサの状態を検出するようにしている
が、センサ素子のインピーダンス自体をモニタして規定
値と比較するようにしてもよく、種々の方法が採用され
る。

【０１５４】また、上述の実施の形態においては、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Ｈ₂ＯやＣＯ₂等の測定にも
有効に適用することができる。

【０１５５】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。

【０１５６】

【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、現在ガスセンサが故障状態にあるか否
かを、早期に、かつ確実に検出することができ、ガスセ
ンサの保守管理に迅速に対応させることができる。

【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に接続され
る自己診断装置の具体例を示すブロック図である。

【図６】ガスセンサが正常である場合の自己診断装置に
おける信号処理の一例を示すタイミングチャートであ
る。

【図７】ガスセンサが異常である場合の自己診断装置に
おける信号処理の一例を示すタイミングチャートであ
る。

【図８】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９】図９Ａ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】図１１Ａ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１１Ｂはそのときのベース駆動信号を示す波形図
である。

【図１２】図１２Ａ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１２Ｂは
そのときのベース駆動信号を示す波形図である。

【図１３】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１４】第１の実施の形態に係るガスセンサにおける
主ポンプセルに対するフィードバック制御系の他の例を
示す構成図である。

【図１５】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１６】第２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１７】第２の実施の形態に係るガスセンサにおける
主ポンプセルに対するフィードバック制御系の他の例を
示す構成図である。

【符号の説明】

１２…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２００Ａ、１００Ｂ
…ガスセンサ２０２…自己診断装置２０４…コンパレー
タ２０８…トリガーパルス発生回路２１０…ウィンドウ
パルス生成回路２１２…判定回路２１４…デコーダ２１６…表示用コントローラ２１８…表示装置

Claims

【特許請求の範囲】

【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測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段のポンピング処理によって該測定
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におい
て、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、所定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
ンス値と規定値とを比較し、その比較結果に基づいて故
障判別を行う自己診断手段を有することを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項２】請求項１記載のガスセンサにおいて、前記インピーダンス検出手段は、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
スを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】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は、前記測定用ポンプ手段
側の検出電極と基準ガスに露呈する基準電極間のインピ
ーダンスを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】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
において、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、所定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
ンス値と規定値とを比較し、その比較結果に基づいて故
障判別を行う自己診断手段を有することを特徴とするガ
スセンサ。
【請求項５】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は、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
検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】請求項４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、前記濃度検出手段側の
検出電極と基準ガスに露呈する基準電極間のインピーダ
ンスを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】請求項１〜６のいずれか１項に記載のガス
センサにおいて、前記自己診断手段は、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が所定時間にわたって前記
規定値に達しない場合に故障として認定することを特徴
とするガスセンサ。
【請求項８】請求項７記載のガスセンサにおいて、前記自己診断手段は、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と前記規定値とを比較する
比較手段と、前記比較手段からの比較出力を一時的にあるいは定期的
に監視し、比較出力が所定時間にわたって前記規定値に
達しない場合に故障として認定する監視手段を有するこ
とを特徴とするガスセンサ。
【請求項９】請求項８記載のガスセンサにおいて、前記監視手段は、所定条件の完了時に、前記比較手段か
らの比較出力を前記所定時間にわたって監視することを
特徴とするガスセンサ。
【請求項１０】請求項８又は９記載のガスセンサにおい
て、前記監視手段は、一定の時間間隔で前記比較手段からの
比較出力を前記所定時間にわたって監視することを特徴
とするガスセンサ。