JPH1137972A - ガスセンサ - Google Patents

ガスセンサ

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JPH1137972A
JPH1137972A JP9188578A JP18857897A JPH1137972A JP H1137972 A JPH1137972 A JP H1137972A JP 9188578 A JP9188578 A JP 9188578A JP 18857897 A JP18857897 A JP 18857897A JP H1137972 A JPH1137972 A JP H1137972A
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oxygen
gas sensor
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main pump
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JP9188578A
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Nobuhide Kato
伸秀 加藤
Yasuhiko Hamada
安彦 濱田
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NGK Insulators Ltd
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    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/417—Systems using cells, i.e. more than one cell and probes with solid electrolytes
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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２０内の酸素をポンピング処理する
主ポンプセル２８と、第１室２０の酸素分圧を第１の基
準値と比較して、該酸素分圧がＮＯｘが分解され得ない
所定の値となるように主ポンプセル２８を制御するフィ
ードバック制御系３８と、第２室２２内の酸素をポンピ
ング処理する補助ポンプセル５２と、ＮＯｘを分解する
ことによって発生する酸素をポンピング処理する測定用
ポンプセル５８を具備したガスセンサ１０Ａにおいて、
補助ポンプセル５２に流れるポンプ電流Ｉｐ１の値と第
２の基準値との偏差に基づいてフィードバック制御系３
８を補正制御して、第２室２２内の酸素濃度を一定にす
る補正制御系７０と、前記ポンプ電流Ｉｐ１の値と規定
範囲とを比較し、その比較結果に基づいて故障判別を行
う自己診断装置１００を設けて構成する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、車両の排
気ガスや大気中に含まれるＮＯ、ＮＯ2 、ＳＯ2、ＣＯ
2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、ＣｎＨｍ等の可燃ガス
を測定するガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、被測定ガス中の所望のガス成
分の濃度を知るために、各種の測定方式や装置が提案さ
れている。
【０００３】例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯ
ｘを測定する方法としては、ＲｈのＮＯｘ還元性を利用
し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上に
Ｐｔ電極及びＲｈ電極を形成してなるセンサを用いて、
これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知
られている。
【０００４】前記のようなセンサは、被測定ガスである
燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって、起電力
が大きく変化するばかりでなく、ＮＯｘの濃度変化に対
して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受
けやすいという問題がある。
【０００５】また、ＮＯｘの還元性を引き出すために
は、ＣＯ等の還元ガスが必須になることから、一般に大
量のＮＯｘが発生する燃料過少の燃焼条件下では、ＣＯ
の発生量がＮＯｘの発生量を下回るようになるため、そ
のような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは測定がで
きないという欠点があった。
【０００６】また、Ｐｔ電極と酸素イオン導伝性の固体
電解質よりなる一組の電気化学的ポンプセルとセンサセ
ル、及びＲｈ電極と酸素イオン導伝性の固体電解質より
なるもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組
み合わせ、それぞれのポンプ電流値の差により、ＮＯｘ
を測定する方式が、特開昭６３−３８１５４号公報や特
開昭６４−３９５４５号公報等に明らかにされている。
【０００７】更に、特開平１−２７７７５１号公報や特
開平２−１５４３号公報等には、一対の電気化学的ポン
プセルとセンサセルを二組用意し、一方の一組のポンプ
セルとセンサセルからなるセンサにて、ＮＯｘが還元さ
れない酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定すると共に、
他方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサに
て、ＮＯｘが還元される酸素分圧下で限界ポンプ電流を
測定し、それら限界ポンプ電流の差を求めたり、一組の
ポンプセルとセンサセルからなるセンサを用い、被測定
ガス中の酸素分圧をＮＯｘが還元される酸素分圧と還元
され得ない酸素分圧とに切り換えて、限界電流の差を測
定する方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】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する主ポンプ手段と、前記
処理空間における酸素分圧を第１の基準値と比較して、
該酸素分圧が測定対象である所定ガス成分が分解され得
ない所定の値となるように前記主ポンプ手段を制御する
主ポンプ制御手段と、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、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の濃度を検
出する酸素濃度検出手段と、前記酸素濃度検出手段から
の検出値と第２の基準値との偏差に基づいて前記主ポン
プ制御手段を補正制御して、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の濃
度を一定にする補正制御手段と、前記酸素濃度検出手段
からの検出値と規定範囲とを比較し、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、処理空間の酸素は、主ポンプ制御手段
による主ポンプ手段への制御によって所定濃度に調整さ
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】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、酸素濃度検出手段を通じて前記主ポン
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
まれる酸素の濃度が検出され、更に、補正制御手段を通
じて、前記酸素濃度検出手段からの検出値と第２の基準
値との偏差に基づいて前記主ポンプ制御手段が補正制御
され、これによって、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の濃度が一
定とされる。
【００１２】これにより、被測定ガス中の酸素濃度が大
きく変化することによって発生する酸素の漏れ込みによ
る精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの濃度の上
昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を防止する
ことができ、併せて、温度変化による前記２点の精度劣
化並びに主ポンプ手段の劣化による前記２点の精度劣化
の招来を防止することができる。
【００１３】更に、本発明に係るガスセンサは、自己診
断手段において、前記酸素濃度検出手段からの検出値と
規定範囲とが比較され、その比較結果に基づいて故障判
別が行われる。
【００１４】一般に、ガスセンサにおける主ポンプ手段
は、上述したように、主ポンプ制御手段による制御動作
によって、処理空間に導入された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、該処理空間
における酸素分圧値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するものである。
【００１５】従って、前記補正制御手段を通じて主ポン
プ制御手段を補正制御しているにもかかわらず、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
に含まれる酸素の濃度を一定にすることができない、即
ち、酸素濃度検出手段からの検出値が規定範囲に到達し
ないことは、何らかの原因（例えば、制御系やヒータの
断線、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。
【００１６】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、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。
【００１７】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する主ポンプ手段と、前記
処理空間における酸素分圧を第１の基準値と比較して、
該酸素分圧が測定対象である所定ガス成分が分解され得
ない所定の値となるように前記主ポンプ手段を制御する
主ポンプ制御手段と、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酸素分圧検出手段とを
具備し、前記酸素分圧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の濃度を
検出する酸素濃度検出手段と、前記酸素濃度検出手段か
らの検出値と第２の基準値との偏差に基づいて前記主ポ
ンプ制御手段を補正制御して、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の
濃度を一定にする補正制御手段と、前記酸素濃度検出手
段からの検出値と規定範囲とを比較し、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。
【００１８】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、処理空間の酸素は、主ポンプ制御手段
による主ポンプ手段への制御によって所定濃度に調整さ
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、次の酸素分圧検出手段に導かれ、該酸素分
圧検出手段において、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。
【００１９】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、酸素濃度検出手段を通じて前記主
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
に含まれる酸素の濃度が検出され、更に、補正制御手段
を通じて、前記酸素濃度検出手段からの検出値と第２の
基準値との偏差に基づいて前記主ポンプ制御手段が補正
制御され、これによって、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の濃度
が一定とされる。
【００２０】更に、自己診断手段において、前記酸素濃
度検出手段からの検出値と規定範囲とが比較され、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。
【００２１】そして、上述した本発明に係るガスセンサ
において、前記酸素濃度検出手段を、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
酸素をポンピング処理する補助ポンプ手段にて構成し、
該補助ポンプ手段に流れるポンプ電流の値を前記酸素濃
度の検出値とするようにしてもよい。また、前記酸素濃
度検出手段を、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と基準ガス空間に
含まれる酸素の分圧差を検出する酸素分圧検出手段にて
構成し、該分圧差に基づいて発生する起電力の値を前記
酸素濃度の検出値とするようにしてもよい。
【００２２】なお、前記補正制御手段は、前記酸素濃度
検出手段からの検出値と前記第２の基準値との偏差をと
る比較手段と、前記比較手段からの偏差を前記主ポンプ
制御手段における基準値に反映させる基準値補正手段を
有して構成することができる。
【００２３】また、本発明に係るガスセンサにおいて、
前記自己診断手段を、前記酸素濃度検出手段からの検出
値が所定時間にわたって前記規定範囲に達しない場合に
故障として認定するように構成するようにしてもよい。
【００２４】この場合、前記自己診断手段としては、前
記酸素濃度検出手段からの検出値と前記規定範囲とを比
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
たって前記規定範囲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。
【００２５】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。
【００２６】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガスセンサを
例えば車両の排気ガスや大気中に含まれるＮＯ、Ｎ
Ｏ2 、ＳＯ2 、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ等の酸化物や、ＣＯ、Ｃ
ｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサに適用したい
くつかの実施の形態例を図１〜図１１を参照しながら説
明する。
【００２７】まず、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａは、図１に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン
導伝性固体電解質を用いたセラミックスからなる例えば
６枚の固体電解質層１２ａ〜１２ｆ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１
２ａ及び１２ｂ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１２ｃ及び１２ｅ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１２ｄ
及び１２ｆとされている。
【００２８】具体的には、第２の基板層１２ｂ上に第１
のスペーサ層１２ｃが積層され、更に、この第１のスペ
ーサ層１２ｃ上に第１の固体電解質層１２ｄ、第２のス
ペーサ層１２ｅ及び第２の固体電解質層１２ｆが順次積
層されている。
【００２９】第２の基板層１２ｂと第１の固体電解質層
１２ｄ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１４）
が、第１の固体電解質層１２ｄの下面、第２の基板層１
２ｂの上面及び第１のスペーサ層１２ｃの側面によって
区画、形成されている。
【００３０】また、第１及び第２の固体電解質層１２ｄ
及び１２ｆ間に第２のスペーサ層１２ｅが挟設されると
共に、第１及び第２の拡散律速部１６及び１８が挟設さ
れている。
【００３１】そして、第２の固体電解質層１２ｆの下
面、第１及び第２の拡散律速部１６及び１８の側面並び
に第１の固体電解質層１２ｄ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２０が区画、形
成され、第２の固体電解質層１２ｆの下面、第２の拡散
律速部１８の側面、第２のスペーサ層１２ｅの側面並び
に第１の固体電解質層１２ｄ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２２が区画、形成される。
【００３２】外部空間と前記第１室２０は、第１の拡散
律速部１６を介して連通され、第１室２０と第２室２２
は、前記第２の拡散律速部１８を介して連通されてい
る。
【００３３】ここで、前記第１及び第２の拡散律速部１
６及び１８は、第１室２０及び第２室２２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ＺｒＯ 2 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１６及び１８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１８の拡散抵抗が
第１の拡散律速部１６より大きい方が好ましい。
【００３４】そして、前記第２の拡散律速部１８を通じ
て、第１室２０内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２
室２２内に導入される。
【００３５】また、前記第２の固体電解質層１２ｆの下
面のうち、前記第１室２０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２４が形成され、前記第２の固体電解質層１２ｆの
上面のうち、前記内側ポンプ電極２４に対応する部分
に、外側ポンプ電極２６が形成されており、これら内側
ポンプ電極２４、外側ポンプ電極２６並びにこれら両電
極２４及び２６間に挟まれた第２の固体電解質層１２ｆ
にて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル２８
が構成されている。
【００３６】そして、前記主ポンプセル２８における内
側ポンプ電極２４と外側ポンプ電極２６間に、外部の可
変電源３０を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ
０を印加して、外側ポンプ電極２６と内側ポンプ電極２
４間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流す
ことにより、前記第１室２０内における雰囲気中の酸素
を外部の外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素
を第１室２０内に汲み入れることができるようになって
いる。
【００３７】また、前記第１の固体電解質層１２ｄの下
面のうち、基準ガス導入空間１４に露呈する部分に基準
電極３２が形成されており、前記内側ポンプ電極２４及
び基準電極３２並びに第２の固体電解質層１２ｆ、第２
のスペーサ層１２ｅ及び第１の固体電解質層１２ｄによ
って、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分圧
検出セル３４が構成されている。
【００３８】この制御用酸素分圧検出セル３４は、第１
室２０内の雰囲気と基準ガス導入空間１４内の基準ガス
（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、内側ポンプ電
極２４と基準電極３２との間に発生する起電力（電圧）
Ｖ０を通じて、前記第１室２０内の雰囲気の酸素分圧が
検出できるようになっている。
【００３９】即ち、内側ポンプ電極２４及び基準電極３
２間に生じる電圧Ｖ０は、基準ガス導入空間１４に導入
される基準ガスの酸素分圧と、第１室２０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２０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３６によって測定することで、第
１室２０内の酸素分圧を検出することができる。
【００４０】前記検出された酸素分圧値は可変電源３０
のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御系３８を通じ
て制御するために使用され、具体的には、第１室２０内
の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室２２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２８のポンプ動作が制御される。
【００４１】特に、この例では、主ポンプセル２８によ
る酸素の汲み出し量が変化して、第１室２０内の酸素濃
度が変化すると、主ポンプセル２８における内側ポンプ
電極２４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）ため、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。
【００４２】なお、前記内側ポンプ電極２４及び外側ポ
ンプ電極２６は、第１室２０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。具体的には、前記内側ポンプ
電極２４及び外側ポンプ電極２６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、特に、被測定ガスに接触する第１室２０内に配置
される内側ポンプ電極２４は、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
料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロ
ブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒
活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいは
Ａｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミック
スのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電
極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ
添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にする
ことが好ましい。
【００４３】前記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、基準電極３２の電位Ｖａと内側ポンプ電極２４
の電位Ｖｂとの差分をとり、該差分を所定のゲインにて
増幅して測定電圧Ｖｃとして出力する第１の差動増幅器
４０と、該第１の差動増幅器４０の出力Ｖｃと第１の基
準電圧Ｖｄとの差分をとり、該差分を所定のゲインにて
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Ｖｅ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にて構成された信号増幅系４４
を有して構成されている。この場合、信号増幅系４４の
出力、即ち電圧Ｖｐ０が主ポンプセル２８の外側ポンプ
電極２６に供給されるように配線接続され、内側ポンプ
電極２４は接地とされる。最終段の信号増幅系４４は、
前段から送出されるレベルの小さい信号を所定のゲイン
にて増幅することで主ポンプセル２８を効率よく作動さ
せるという役割を果たす。
【００４４】これによって、まず、被測定ガスが第１の
拡散律速部１６を通じて第１室２０に導入され、そのと
きの基準電極３２の電位Ｖａと内側ポンプ電極２４の電
位Ｖｂが第１の差動増幅器４０の各入力端子に印加さ
れ、該第１の差動増幅器４０からはこれらの電位Ｖａ及
びＶｂの差分（測定電圧Ｖｃ）が出力される。この測定
電圧Ｖｃ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測定電圧Ｖｃと非反転端
子に供給される第１の基準電圧Ｖｄ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４４にて所定のゲインにて
増幅されてポンプ電圧Ｖｐ０として主ポンプセル２８の
外側ポンプ電極２６に供給される。この場合、内側ポン
プ電極２４は接地電位（０Ｖ）とされていることから、
結局、主ポンプセル２８の両電極２４及び２６間の電圧
は、信号増幅系４４からのポンプ電圧Ｖｐ０と等価とさ
れる。
【００４５】従って、主ポンプセル２８は、第１室２０
に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧
Ｖｐ０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２０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。
【００４６】一方、図１に示すように、前記第２の固体
電解質層１２ｆの下面のうち、前記第２室２２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１の固
体電解質層１２ｄ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。
【００４７】前記補助ポンプ電極５０は、前記主ポンプ
セル２８における内側ポンプ電極２４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、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Ａ
ｕ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。
【００４８】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、外部の直流電
源５４を通じて所望の一定電圧Ｖｐ１を印加することに
より、第２室２２内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空
間１４に汲み出せるようになっている。これによって、
第２室２２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２０における主ポンプ
セル２８の働きにより、この第２室２２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２２における酸素分圧は精度よく一
定に制御される。
【００４９】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａにおいては、前記第１の固体電解質層１０ｄ
の上面のうち、前記第２室２２を形づくる上面であっ
て、かつ第２の拡散律速部１８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５８
が構成される。
【００５０】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２２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６０を通じて一定
電圧Ｖｐ２が印加されることによって、第２室２２内の
雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１４に汲み出せるよ
うになっている。この測定用ポンプセル５８のポンプ動
作によって流れるポンプ電流Ｉｐ２は、電流計６２によ
って検出されるようになっている。
【００５１】前記定電圧（直流）電源６０は、測定用ポ
ンプセル５８において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。
【００５２】更に、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａは、第１及び第２の基板層１２ａ及び１２ｂ
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６４が埋設されている。このヒー
タ６４は、酸素イオンの導伝性を高めるために設けられ
るもので、該ヒータ６４の上下面には、基板層１２ａ及
び１２ｂ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６６が形成されている。
【００５３】前記ヒータ６４は、図１に示すように、第
１室２０から第２室２２の全体にわたって配設されてお
り、これによって、第１室２０及び第２室２２がそれぞ
れ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル２８、制
御用酸素分圧検出セル３４、補助ポンプセル５２及び測
定用ポンプセル５８も所定の温度に加熱、保持されるよ
うになっている。
【００５４】また、この第１の実施の形態に係るガスセ
ンサ１０Ａは、補助ポンプセル５２に流れるポンプ電流
Ｉｐ１の値に基づいて主ポンプセル２８のフィードバッ
ク制御系３８を補正制御する補正制御系７０を有する。
【００５５】この補正制御系７０は、図２に示すよう
に、直流電源５４と基準電極３２間に挿入接続され、か
つ、補助ポンプセル５２に流れるポンプ電流Ｉｐ１を電
圧信号Ｖｆに変換する抵抗Ｒ１と、該電圧信号Ｖｆを所
定のゲインにて増幅して補助ポンプ電圧Ｖｇとして出力
する増幅器７２と、電解コンデンサＣと抵抗Ｒ２とから
なり、前記フィードバック制御系３８につながるこの補
正制御系７０を安定に動作させるための積分回路（ロー
パスフィルタ）７４と、該積分回路７４からの出力電圧
Ｖｈと第２の基準電圧Ｖｉとの差分をとり、該差分を所
定のゲインにて増幅する第３の差動増幅器７６と、該第
３の差動増幅器７６からの出力電流を電圧信号（補正電
圧Ｖｊ）に変換して前記フィードバック制御系３８にお
ける第１の基準電圧Ｖｄに重畳させるための抵抗Ｒ３と
を有して構成されている。前記第２の基準電圧Ｖｉは、
第２室２２内での所望の酸素濃度（一定）に対応した電
圧に設定されている。
【００５６】なお、この説明では、補助ポンプセル５２
に流れるポンプ電流と抵抗Ｒ１に現れる電圧の関係を便
宜的に次のように定義する。
【００５７】第２室２２内の酸素濃度が規定の濃度（所
望の一定レベルよりもある程度高い濃度を指す）よりも
高く、補助ポンプセル５２にてポンピング処理される酸
素量が多い場合、抵抗Ｒ１に流れるポンプ電流も多くな
り、そのときの電圧は正方向に増加し、主ポンプセル２
８と補助ポンプセル５２によるポンピング処理によって
徐々に第２室２２内の酸素濃度が低下するにつれてポン
プ電流の値が下がり、そのときの電圧Ｖｆも減少するこ
とになる。
【００５８】ここで、前記補正制御系７０の動作を簡単
に説明すると、まず、補助ポンプセル５２における直流
電源５４と基準電極３２間に挿入接続された抵抗Ｒ１を
通じて該補助ポンプセル５２に流れるポンプ電流Ｉｐ
１、即ち、第２室２２の酸素濃度が検出され、該酸素濃
度に応じた電圧信号Ｖｆとして出力される。
【００５９】前記電圧信号Ｖｆは、後段の増幅器７２に
て所定のゲインにて増幅されて補助ポンプ電圧Ｖｇとさ
れる。この補助ポンプ電圧Ｖｇは後段の積分回路７４を
通じ、出力電圧Ｖｈとして後段の第３の差動増幅器７６
に入力される。
【００６０】ここで、積分回路７４は、第２の拡散律速
部１８の拡散抵抗による遅れ時間に見合った時定数とな
るようにその回路定数（抵抗値及び容量値）が設定され
ている。これによって、補正制御系７０での制御動作に
積分動作が付加されたかたちとなり、外乱等による補正
制御系７０での発振現象が有効に防止され、安定に制御
動作が行われることになる。
【００６１】そして、前記第３の差動増幅器７６におい
て、前段の積分回路７４からの出力電圧Ｖｈと第２の基
準電圧Ｖｉとの差分がとられ、その差分に応じた電流
（正方向電流又は負方向電流）が出力側で流れる。この
電流は抵抗Ｒ３を流れ、このときの電圧降下によってそ
の電流値に応じた補正電圧Ｖｊに変換され、該補正電圧
Ｖｊが前記第１の基準電圧Ｖｄに重畳されることとな
る。
【００６２】この補正制御系７０による第１の基準電圧
Ｖｄに対する補正動作によって、フィードバック制御系
３８の第２の差動増幅器４２は、第１室２０の酸素分圧
に基づく電圧Ｖｃと、新たな基準電圧｛第１の基準電圧
Ｖｄ＋（補助ポンプ電圧Ｖｈと第２の基準電圧Ｖｉとの
差分）｝との差分をとることとなり、第２室２２の酸素
濃度が補正電圧Ｖｊとして第１の基準電圧Ｖｄに反映
（重畳）される。即ち、前記第２の差動増幅器４２は、
第１室２０の酸素濃度を、補助ポンプセル５２に流れる
ポンプ電流Ｉｐ１に応じて可変変調する機能を持つこと
になる。
【００６３】この補正制御系７０による前記第１の基準
電圧Ｖｄに対する補正動作によって、第２室２２内の酸
素濃度が一定とされ、これにより、被測定ガス中の酸素
濃度が大きく変化することによって発生する酸素の漏れ
込みによる精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの
濃度の上昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を
防止することができ、併せて、温度変化による前記２点
の精度劣化並びに主ポンプセル２８の劣化による前記２
点の精度劣化の招来を防止することができる。
【００６４】そして、この第１の実施の形態に係るガス
センサ１０Ａにおいては、図１に示すように、補助ポン
プセル５２の後段に当該ガスセンサ１０Ａの状態を監視
する自己診断装置１００が接続されている。
【００６５】具体的には、図２に示すように、増幅器７
２の出力ラインが２つに分岐され、一方の出力ラインが
積分回路における抵抗Ｒ２の一端子に接続され、他方の
出力ラインが自己診断装置１００に接続されて構成され
ている。
【００６６】この自己診断装置１００は、図３に示すよ
うに、前記増幅器７２からの電圧信号Ｖｇのレベルと所
定の規定範囲（上限レベルＥａ〜下限レベルＥｂ）とを
比較する比較回路１０２と、所定のクロックＰｃを発生
するクロック発生器１０４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１０６と、トリガーパルス発生回路
１０６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１０８と、該ウィンドウパルス生成
回路１０８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Ｖｇのレベルが規定範囲（レベ
ルＥａ〜Ｅｂ）内に達したか否かを判定する判定回路１
１０と、該判定回路１１０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１１２と、該デ
コーダ１１２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１１６に出力する表示用コン
トローラ１１４を有して構成されている。
【００６７】前記比較回路１０２は、増幅器７２からの
電圧信号Ｖｇのレベルと上限レベルＥａとを比較する第
１のコンパレータ１２０と、前記増幅器７２からの電圧
信号Ｖｇのレベルと下限レベルＥｂとを比較する第２の
コンパレータ１２２と、前記第１及び第２のコンパレー
タ１２０及び１２２からの出力に対して所定の論理演算
｛例えば排他的論理和（ＸＯＲ）｝を行って比較結果信
号Ｓｈとして出力するデコーダ１２４とを有する。
【００６８】第１のコンパレータ１２０から出力される
電圧信号Ｖｇ１は、電圧信号Ｖｇのレベルが上限レベル
Ｅａよりも高い場合に低レベルとなり、前記電圧信号Ｖ
ｇのレベルが上限レベルＥａよりも低い場合に高レベル
となる。
【００６９】第２のコンパレータ１２２から出力される
電圧信号Ｖｇ２は、電圧信号Ｖｇのレベルが下限レベル
Ｅｂよりも高い場合に低レベルとなり、前記電圧信号Ｖ
ｇのレベルが下限レベルＥｂよりも低い場合に高レベル
となる。
【００７０】デコーダ１２４から出力される比較結果信
号Ｓｈは、電圧信号Ｖｇ１及びＶｇ２が共に高レベル又
は共に低レベルの場合（即ち、電圧信号Ｖｇのレベルが
規定範囲外にある場合）に低レベルとなり、電圧信号Ｖ
ｇ１が高レベルで、かつ電圧信号Ｖｇ２が低レベルの場
合（即ち、電圧信号Ｖｇのレベルが規定範囲内にある場
合）に高レベルとなる。
【００７１】一方、トリガーパルス発生回路１０６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。
【００７２】ウィンドウパルス生成回路１０８は、トリ
ガーパルス発生回路１０６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４及び図５参照）。
【００７３】判定回路１１０は、ウィンドウパルスＰｗ
と比較回路１０２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Ｓｉ１
及びＳｉ２）を出力する。
【００７４】第１の判定信号Ｓｉ１は、図４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
比較回路１０２からの出力信号Ｓｈが低レベルである場
合に低レベルになり、ウィンドウパルスＰｗのパルス幅
内に比較回路１０２からの出力信号Ｓｈが高レベルとな
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のパルス幅内に比較回路１０２からの出
力信号が高レベルにならない場合、即ち、電圧信号Ｖｇ
のレベルが規定範囲内にならない場合、この第１の判定
信号Ｓｉ１は低レベルを維持する。
【００７５】第２の判定信号Ｓｉ２は、例えば、図５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。
【００７６】デコーダ１１２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１１４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１１４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。
【００７７】表示用コントローラ１１４は、デコーダ１
１２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１１６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１１６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。
【００７８】一方、デコーダ１１２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
１１４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１１６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。
【００７９】また、前記表示用コントローラ１１４は、
前段のデコーダ１１２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１０６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１０６を停止状態にさせる。
【００８０】第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ
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１００の作用効
果について説明する。
【００８１】まず、このガスセンサ１０Ａ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１０Ａにおけ
るヒータ６４への通電も含まれる。
【００８２】前記ヒータ６４への通電時点から所定期間
（例えば、ガスセンサ１０Ａ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１００におけるトリガーパルス発
生回路１０６に対して指示信号Ｓｇが出力される。な
お、ガスセンサ１０Ａが設置される装置が自動車である
場合、前記暖気完了時は、水温が所定値に到達する時点
を指す。
【００８３】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１００に供給された時点
から、該自己診断装置１００によるガスセンサ１０Ａに
対する監視、即ち、補助ポンプセル５２に流れるポンプ
電流Ｉｐ１に対する監視が開始される。この第１の実施
の形態においては、補助ポンプセル５２に流れるポンプ
電流Ｉｐ１によって抵抗Ｒ１に現れる電圧信号Ｖｆに対
する監視が行われる。
【００８４】そして、図４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、補助
ポンプセル５２に流れるポンプ電流値（電圧信号Ｖｇの
レベル）が規定範囲内（上限レベルＥａ〜下限レベルＥ
ｂの範囲内）に達した場合、判定回路１１０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１１２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１１６において「正常」を示す表示が行われる。
【００８５】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１００に
供給され、そのたびにガスセンサ１０Ａに対する自己診
断が行われる。
【００８６】一方、図５に示すように、前記所定期間が
経過しても、前記電圧信号Ｖｇのレベルが規定範囲内に
達しない場合は、判定回路１１０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１１２から「異
常」を示す制御信号が出力され、表示装置１１６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１１４からトリガーパルス
発生回路１０６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１００による故障判定処
理が終了し、表示装置１１６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。
【００８７】一般に、ガスセンサ１０Ａにおける主ポン
プセル２８は、上述したように、第１室２０内に導入さ
れた外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素を、フィ
ードバック制御系３８による制御動作によってポンピン
グ処理して、該第１室２０における酸素分圧値を測定対
象であるＮＯｘ成分が分解され得ない所定の値にするも
のである。
【００８８】従って、前記補正制御系７０を通じてフィ
ードバック制御系３８を補正制御しているにもかかわら
ず、第２室２２内に酸素濃度を規定レベルまでもってい
くことができない、即ち、補助ポンプセル５２に流れる
ポンプ電流Ｉｐ１が規定範囲内に達しない（電圧信号Ｖ
ｇが規定範囲内に達しない）ことは、何らかの原因でガ
スセンサ１０Ａが故障していることであり、この第１の
実施の形態では、この原理を利用することによって、ガ
スセンサ１０Ａの故障を判別するようにしている。
【００８９】その結果、この第１の実施の形態に係るガ
スセンサ１０Ａにおいては、現在、ガスセンサ１０Ａ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１０Ａ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。
【００９０】なお、ガスセンサ１０Ａの故障としては、
例えば、主ポンプセル２８や補助ポンプセル５２自体の
故障、フィードバック制御系３８やヒータ６４の断線、
電極の異常等があり、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。
【００９１】前記自己診断装置１００は、増幅器７２か
らの電圧信号Ｖｇが所定期間経過しても規定範囲内に達
しない場合に故障として認定するようにしたが、増幅器
７２からの電圧信号Ｖｇが規定範囲から外れた時点で故
障として認定するようにしてもよい。この場合、比較回
路１０２におけるデコーダ１２４からの比較結果信号Ｓ
ｈを直接表示用コントローラ１１４に入力させるように
配線接続し（二点鎖線参照）、更に、表示用コントロー
ラ１１４において、前記入力される比較結果信号Ｓｈが
高レベルの場合に、後段の表示装置１１６に対して「正
常」を示す情報を出力し、入力される比較結果信号Ｓｈ
が低レベルの場合に、後段の表示装置１１６に対して
「異常」を示す情報を出力するように回路構成を組み立
てるようにすればよい。
【００９２】また、前記表示用コントローラ１１４を以
下のように回路構成することも可能である。即ち、初期
の段階では、比較回路１０２→判定回路１１０→デコー
ダ１１２→表示用コントローラ１１４の経路で電圧信号
Ｖｇが所定期間内に規定範囲に達するかどうかを監視
し、故障なしと認定した後は、比較回路１０２→表示用
コントローラ１１４の経路（二点鎖線参照）でリアルタ
イムに電圧信号Ｖｇが所定期間内に規定範囲に達するか
どうかを監視するようにしてもよい。
【００９３】次に、第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａの２つの変形例について図６及び図７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。
【００９４】まず、第１の変形例に係るガスセンサ１０
Ａａは、図６に示すように、前記第１の実施の形態に係
るガスセンサ１０Ａとほぼ同じ構成を有するが、測定用
ポンプセル５８に代えて、測定用酸素分圧検出セル１７
０が設けられている点で異なる。
【００９５】この測定用酸素分圧検出セル１７０は、第
１の固体電解質層１２ｄの上面のうち、第２室２２を形
づくる上面に形成された検出電極１７２と、前記第１の
固体電解質層１２ｄの下面に形成された基準電極３２
と、これら両電極１７２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。
【００９６】この場合、前記測定用酸素分圧検出セル１
７０における検出電極１２４と基準電極３２との間に、
検出電極１７２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。
【００９７】従って、前記検出電極１７２及び基準電極
３２間に発生する起電力を電圧計１７４にて測定するこ
とにより、検出電極１７２の周りの雰囲気の酸素分圧、
換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解
によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電
圧値として検出される。
【００９８】この第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａ
ａにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａと同様のフィードバック制御系３８、補助ポンプ
セル５２、補正制御系７０及び自己診断装置１００を有
する。
【００９９】従って、この第１の変形例に係るガスセン
サ１０Ａａにおいても、前記第１の実施の形態に係るガ
スセンサ１０Ａと同様に、被測定ガス中の酸素濃度が大
きく変化することによって発生する酸素の漏れ込みによ
る精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの濃度の上
昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を防止する
ことができ、現在、ガスセンサ１０Ａａ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１０Ａａの保守管理に迅速に対応させること
ができる。
【０１００】次に、第２の変形例に係るガスセンサ１０
Ａｂは、前記第１の変形例に係るガスセンサ１０Ａａと
ほぼ同じ構成を有するが、測定用ポンプセル５８と測定
用酸素分圧検出セル１７０とが併設され、該測定用酸素
分圧検出セル１７０にて検出された酸素分圧値（電圧Ｖ
２）を、測定用ポンプセル５８における可変電源６０Ａ
のポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御系３８を通じ
て制御するために使用している点で異なる。
【０１０１】この場合、測定用ポンプセル５８は、検出
電極１７２と、内側ポンプ電極２４と、これら両電極１
２２及び２４間の第１の固体電解質層１２ｄ、第２のス
ペーサ層１２ｅ及び第２の固体電解質層１２ｆとによっ
て構成され、前記可変電源６０Ａを通じて電圧Ｖｐ２が
印加されることによって、第２室２２内の雰囲気中の酸
素を第１室２０内に汲み出せるようになっている。
【０１０２】この第２の変形例に係るガスセンサ１０Ａ
ｂにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ａと同様のフィードバック制御系３８、補助ポンプ
セル５２、補正制御系７０及び自己診断装置１００を有
することから、被測定ガス中の酸素濃度が大きく変化す
ることによって発生する酸素の漏れ込みによる精度劣化
や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの濃度の上昇によるＨ
2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を防止することがで
き、現在、ガスセンサ１０Ａｂ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１０Ａｂの保守管理に迅速に対応させることができ
る。
【０１０３】この第１の実施の形態に係るガスセンサ
（各種変形例を含む）１０Ａ、１０Ａａ、１０Ａｂにお
いては、ポンプ電流Ｉｐ１を電圧変換して得た電圧信号
Ｖｆを所定のゲインにて増幅する増幅器７２からの出力
信号Ｖｇを自己診断装置１００に入力させるようにした
が、その他、積分回路７４を通した後の出力信号Ｖｈを
自己診断装置１００に入力させるようにしてもよい。こ
の場合、高域ノイズが除去された信号Ｖｈが自己診断装
置１００に入力されることから、より正確に自己診断を
行うことができる。
【０１０４】次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂについて図８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。
【０１０５】この第２の実施の形態に係るガスセンサ１
０Ｂは、図８に示すように、前記第１の実施の形態に係
るガスセンサ１０Ａとほぼ同じ構成を有するが、補助ポ
ンプセル５２に代えて、補正用酸素分圧検出セル１４０
が設けられている点と、該補正用酸素分圧検出セル１４
０にて検出される電圧値Ｖ１に基づいて主ポンプセル２
８のフィードバック制御系３８を補正制御する補正制御
系１４６を有する点で異なる。
【０１０６】この補正用酸素分圧検出セル１４０は、第
１の固体電解質層１２ｄの上面のうち、第２室２２を形
づくる上面に形成された測定電極１４２と、前記第１の
固体電解質層１２ｄの下面に形成された基準電極３２
と、これら両電極１４２及び３２間に挟まれた第１の固
体電解質層１０ｄとによって構成されている。
【０１０７】この場合、前記補正用酸素分圧検出セル１
４０における測定電極１４２と基準電極３２との間に、
第２室２２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。
【０１０８】従って、前記測定電極１４２及び基準電極
３２間に発生する起電力を電圧計１４４にて測定するこ
とにより、測定電極１４２の周りの雰囲気の酸素分圧、
換言すれば、第２室２２の酸素分圧が電圧値として検出
される。
【０１０９】一方、補正制御系１４６は、図９に示すよ
うに、測定電極１４２の電位と接地電位との差（測定電
圧Ｖｍ）と、基準電極３２の電位と接地電位との差（基
準電圧Ｖｎ）との差分をとり、該差分を所定のゲインで
増幅して第２室２２の酸素分圧に応じた検出電圧Ｖ１と
して出力する第４の差動増幅器１５０と、該第４の差動
増幅器１５０からの検出電圧Ｖ１と第２の基準電圧Ｖｉ
との差分をとり、該差分を所定のゲインにて増幅する第
３の差動増幅器７６と、電解コンデンサＣと抵抗Ｒ２と
からなり、フィードバック制御系３８につながる補正制
御系７０を安定に動作させるための積分回路（ローパス
フィルタ）７４と、該積分回路７４からの出力電流を電
圧信号（補正電圧Ｖｊ）に変換して前記フィードバック
制御系３８における第１の基準電圧Ｖｄに重畳させるた
めの抵抗Ｒ３とを有して構成されている。
【０１１０】なお、この説明では、値Ｖ１と抵抗Ｒ１に
現れる電圧の関係を便宜的に次のように定義する。
【０１１１】第２室２２内の酸素濃度が規定の濃度（所
望の一定レベルよりもある程度高い濃度を指す）よりも
高い場合、補正用酸素分圧検出セル１４０にて検出され
る電圧も正方向に増加し、主ポンプセル２８によるポン
ピング処理によって徐々に第２室２２内の酸素濃度が低
下するにつれて、前記検出電圧Ｖ１も減少することにな
る。
【０１１２】ここで、前記補正制御系１４６の動作を簡
単に説明すると、まず、第４の差動増幅器１５０にて補
正用酸素分圧検出セル１４０における測定電圧Ｖｍと基
準電圧Ｖｎとの差分がとられ、検出電圧Ｖ１として取り
出される。
【０１１３】そして、第３の差動増幅器７６において、
前段の第４の差動増幅器１５０からの検出電圧Ｖ１と第
２の基準電圧Ｖｉとの差分がとられ、その差分に応じた
電流（正方向電流又は負方向電流）が出力側で流れる。
この電流は後段の積分回路７４を通じて抵抗Ｒ３を流
れ、このときの電圧降下によってその電流値に応じた補
正電圧Ｖｊに変換され、該補正電圧Ｖｊが前記第１の基
準電圧Ｖｄに重畳されることとなる。
【０１１４】なお、積分回路７４は、前記第１の実施の
形態に係るガスセンサ１０Ａの場合と同様に、第２の拡
散律速部１８の拡散抵抗による遅れ時間に見合った時定
数となるようにその回路定数（抵抗値及び容量値）が設
定されている。これによって、補正制御系１４６での制
御動作に積分動作が付加されたかたちとなり、外乱等に
よる補正制御系１４６での発振現象が有効に防止され、
安定に制御動作が行われることになる。
【０１１５】この補正制御系１４６による第１の基準電
圧Ｖｄに対する補正動作によって、フィードバック制御
系３８の第２の差動増幅器４２は、第１室２０の酸素分
圧に基づく電圧Ｖｃと、新たな基準電圧｛第１の基準電
圧Ｖｄ＋（検出電圧Ｖ１と第２の基準電圧Ｖｉとの差
分）｝との差分をとることとなり、第２室２２の酸素濃
度が補正電圧Ｖｊとして第１の基準電圧Ｖｄに反映（重
畳）される。即ち、前記第２の差動増幅器４２は、第１
室２０の酸素濃度を、補正用酸素分圧検出セル１４０に
て検出される検出電圧Ｖ１に応じて可変変調する機能を
持つことになる。
【０１１６】この補正制御系１４６による前記第１の基
準電圧Ｖｄに対する補正動作によって、第２室２２内の
酸素濃度が一定とされ、これにより、被測定ガス中の酸
素濃度が大きく変化することによって発生する酸素の漏
れ込みによる精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏ
の濃度の上昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化
を防止することができ、併せて、温度変化による前記２
点の精度劣化並びに主ポンプセル２８の劣化による前記
２点の精度劣化の招来を防止することができる。
【０１１７】そして、この第２の実施の形態に係るガス
センサ１０Ｂにおいては、図９に示すように、第４の差
動増幅器１５０の出力ラインが２つに分岐され、一方の
出力ラインが第３の差動増幅器７６における反転入力端
子に接続され、他方の出力ラインが自己診断装置１００
に接続されて構成されている。この自己診断装置１００
の構成は、該自己診断装置１００に前記他方の出力ライ
ンを通じて入力される信号が第４の差動増幅器１５０か
らの検出電圧Ｖ１である点を除けば、図３に示す自己診
断装置１００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２の実施の形態に係るガス
センサ１０Ｂにおいても、現在、ガスセンサ１０Ｂ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１０Ｂ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の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂの２つの変形例について図１０及び図１１を参照
しながら説明する。なお、図８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。
【０１２０】まず、第１の変形例に係るガスセンサ１０
Ｂａは、図１０に示すように、前記第２の実施の形態に
係るガスセンサ１０Ｂとほぼ同じ構成を有するが、測定
用ポンプセル５８に代えて、測定用酸素分圧検出セル１
７０が設けられている点で異なる。
【０１２１】この測定用酸素分圧検出セル１７０は、図
６に示す第１の実施の形態の第１の変形例に係るガスセ
ンサ１０Ａａにおける測定用酸素分圧検出セル１７０と
同じであるため、その詳細な説明を省略する。
【０１２２】この第１の変形例に係るガスセンサ１０Ｂ
ａにおいても、前記第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂと同様のフィードバック制御系３８、補正用酸素
分圧検出セル１４０、補正制御系１４６及び自己診断装
置１００を有することから、被測定ガス中の酸素濃度が
大きく変化することによって発生する酸素の漏れ込みに
よる精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの濃度の
上昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を防止す
ることができ、現在、ガスセンサ１０Ｂａ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１０Ｂａの保守管理に迅速に対応させる
ことができる。
【０１２３】次に、第２の変形例に係るガスセンサ１０
Ｂｂは、前記第１の変形例に係るガスセンサ１０Ｂａと
ほぼ同じ構成を有するが、図７で示す第１の実施の形態
の第２の変形例に係るガスセンサ１０Ａｂと同様に、測
定用ポンプセル５８と測定用酸素分圧検出セル１７０と
が併設され、該測定用酸素分圧検出セル１７０にて検出
された酸素分圧値を、測定用ポンプセル５８における可
変電源６０Ａのポンプ電圧Ｖｐ２をフィードバック制御
系３８を通じて制御するために使用している点で異な
る。
【０１２４】この第２の変形例に係るガスセンサ１０Ｂ
ｂにおいても、前記第２の実施の形態に係るガスセンサ
１０Ｂと同様のフィードバック制御系３８、補正用酸素
分圧検出セル１４０、補正制御系１４６及び自己診断装
置１００を有することから、被測定ガス中の酸素濃度が
大きく変化することによって発生する酸素の漏れ込みに
よる精度劣化や、被測定ガス中におけるＨ2 Ｏの濃度の
上昇によるＨ2 Ｏの僅かな分解に伴う精度劣化を防止す
ることができ、現在、ガスセンサ１０Ｂｂ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１０Ｂｂの保守管理に迅速に対応させる
ことができる。
【０１２５】この第２の実施の形態に係るガスセンサ
（各種変形例を含む）１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｂｂにお
いては、第４の差動増幅器１５０からの電圧信号Ｖ１を
自己診断装置１００に入力させるようにしたが、その
他、積分回路７４を通した後の電圧信号を自己診断装置
１００に入力させるようにしてもよい。この場合、高域
ノイズが除去された電圧信号が自己診断装置１００に入
力されることから、より正確に自己診断を行うことがで
きる。
【０１２６】前記第１及び第２の実施の形態に係るガス
センサ１０Ａ、１０Ｂの各第２の変形例１０Ａｂ及び１
０Ｂｂにおいては、測定用ポンプセル５８の一方の電極
を主ポンプセル２８における内側ポンプ電極２４とした
が、その他、外側ポンプ電極２６とするようにしてもよ
い。この場合、第２室２２内の雰囲気中の酸素が外部空
間に汲み出されることになる。
【０１２７】上述した第１及び第２の実施の形態に係る
ガスセンサ（各種変形例を含む）１０Ａ、１０Ａａ、１
０Ａｂ及び１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｂｂにおいては、自
己診断装置１００として、図３のような構成を採用する
ようにしたが、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。
【０１２８】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Ｈ2 ＯやＣＯ2 等の測定にも
有効に適用することができる。
【０１２９】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。
【０１３０】
【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及び補正制御系を示
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４】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５】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６】第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変
形例を示す構成図である。
【図７】第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の変
形例を示す構成図である。
【図８】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９】第２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及び補正制御系を示
す構成図である。
【図１０】第２の実施の形態に係るガスセンサの第１の
変形例を示す構成図である。
【図１１】第２の実施の形態に係るガスセンサの第２の
変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ａｂ、１０Ｂ、１０Ｂａ、１０
Ｂｂ…ガスセンサ １４…基準ガス導入空間 ２０…第１室 ２２…第２室 ２４…内側ポンプ電
極 ２６…外側ポンプ電極 ２８…主ポンプセル ３２…基準電極 ３４…制御用酸素分
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 ５８…測定用ポンプセル ７０…補正制御系 １００…自己診断装置

Claims (9)

    【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する主ポンプ手段
    と、 前記処理空間における酸素分圧を第１の基準値と比較し
    て、該酸素分圧が測定対象である所定ガス成分が分解さ
    れ得ない所定の値となるように前記主ポンプ手段を制御
    する主ポンプ制御手段と、 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、 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の濃度を検出する酸素濃度検出手
    段と、 前記酸素濃度検出手段からの検出値と第２の基準値との
    偏差に基づいて前記主ポンプ制御手段を補正制御して、
    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の濃度を一定にする補正制御手段
    と、 前記酸素濃度検出手段からの検出値と規定範囲とを比較
    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。
  2. 【請求項２】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する主ポンプ手段
    と、 前記処理空間における酸素分圧を第１の基準値と比較し
    て、該酸素分圧が測定対象である所定ガス成分が分解さ
    れ得ない所定の値となるように前記主ポンプ手段を制御
    する主ポンプ制御手段と、 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
    を発生する酸素分圧検出手段とを具備し、 前記酸素分圧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の濃度を検出する酸素濃度検出手
    段と、 前記酸素濃度検出手段からの検出値と第２の基準値との
    偏差に基づいて前記主ポンプ制御手段を補正制御して、
    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の濃度を一定にする補正制御手段
    と、 前記酸素濃度検出手段からの検出値と規定範囲とを比較
    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。
  3. 【請求項３】請求項１又は２記載のガスセンサにおい
    て、 前記酸素濃度検出手段は、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酸素をポン
    ピング処理する補助ポンプ手段にて構成され、該補助ポ
    ンプ手段に流れるポンプ電流の値を前記酸素濃度の検出
    値とすることを特徴とするガスセンサ。
  4. 【請求項４】請求項１又は２記載のガスセンサにおい
    て、 前記酸素濃度検出手段は、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酸素と基準
    ガス空間に含まれる酸素の分圧差を検出する酸素分圧検
    出手段にて構成され、該分圧差に基づいて発生する起電
    力の値を前記酸素濃度の検出値とすることを特徴とする
    ガスセンサ。
  5. 【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載のガス
    センサにおいて、 前記補正制御手段は、前記酸素濃度検出手段からの検出
    値と前記第２の基準値との偏差をとる比較手段と、 前記比較手段からの偏差を前記主ポンプ制御手段におけ
    る第１の基準値に反映させる基準値補正手段を有するこ
    とを特徴とするガスセンサ。
  6. 【請求項６】請求項１〜５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、前記酸素濃度検出手段からの検出
    値が所定時間にわたって前記規定範囲に達しない場合に
    故障として認定することを特徴とするガスセンサ。
  7. 【請求項７】請求項６記載のガスセンサにおいて、 前記自己診断手段は、前記酸素濃度検出手段からの検出
    値と前記規定範囲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範囲
    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。
  8. 【請求項８】請求項７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。
  9. 【請求項９】請求項７又は８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。
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