WO2022070875A1 - ガスセンサ - Google Patents

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WO2022070875A1
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大介 水野
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株式会社デンソー
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    • G01N33/0036—Specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0037—Specially adapted to detect a particular component for NOx

Definitions

  • the present disclosure relates to a gas sensor for detecting the concentration of a specific gas contained in the gas to be measured.
  • a gas sensor for detecting the concentration of various gases contained in the exhaust gas is arranged in the exhaust gas passage of the internal combustion engine.
  • a gas sensor is used as an air-fuel ratio sensor, a NOx sensor, or the like for monitoring the combustion state of an internal combustion engine or the operation of an exhaust gas treatment device, and generally includes a solid electrolyte type sensor element.
  • the solid electrolyte type sensor element has an electrochemical cell in which a pair of electrodes are provided on the surface of the oxide ion conductive solid electrolyte layer, and an element structure and a detection method suitable for the gas type to be measured can be obtained. Can be adopted.
  • the NOx sensor has an element configuration in which a plurality of electrochemical cells are combined, and also functions as an air-fuel ratio sensor.
  • a limit current type including a pump cell that pumps oxygen in the gas to be measured introduced into the element via a diffusion resistor and a sensor cell that detects the NOx concentration in the gas to be measured after pumping. It is configured as a sensor element.
  • the air-fuel ratio that is, A / F
  • the air-fuel ratio that is, A / F
  • the internal combustion engine can be monitored by utilizing the fact that the current flowing through the pump cell becomes the critical current according to the oxygen concentration.
  • the sensor element has a built-in heater, and the energization of the heater is controlled so that the temperature becomes suitable for the operation of the electrochemical cell.
  • the correlation between the heater resistance and the impedance of the solid electrolyte layer and the element temperature is used for temperature detection of the sensor element, and the temperature of the sensor element is detected without providing a separate temperature detection element or the like. be able to.
  • Patent Document 1 in a limit current type sensor that produces an output depending on the amount of oxygen by supplying power to two electrodes of the sensor from a DC voltage source, an AC current flowing when the two electrodes of the sensor are supplied with power from an AC voltage source. Is described as a temperature measuring method using the above as a measure of temperature.
  • the method described in Patent Document 1 is such that the output side voltage of the AC voltage source is superimposed on the DC voltage source, and the signal taken out by the resistor for current measurement is passed through a high frequency filter and a low frequency. It is separated using a filter.
  • the high frequency filter is configured so that the DC voltage component does not pass through, and an AC voltage signal depending on the temperature is output.
  • the low frequency filter is configured so that the frequency of the AC voltage source does not pass, and a DC voltage signal proportional to the oxygen concentration is output.
  • Patent Document 1 by separating the detection signal when an AC voltage is applied by using two filters, it is possible to extract a signal corresponding to the gas concentration together with a signal that serves as a scale of temperature. It will be possible.
  • this method when an AC signal that serves as a scale of temperature is taken out, a wide-area filter or a band filter that passes a high-frequency signal is used, and noise components such as high-frequency noise cannot be eliminated, so that the AC signal cannot be eliminated.
  • the detection accuracy is deteriorated.
  • the gas concentration was detected by applying a DC voltage and the temperature was detected by applying an AC voltage at different timings. It is desired to achieve both the constant detection of temperature and the constant detection of temperature.
  • An object of the present disclosure is to provide a gas sensor capable of simultaneously detecting gas concentration information and temperature information by using a sensor element including an electrochemical cell, having high noise resistance performance, and capable of accurate detection. It is a thing.
  • One aspect of the present disclosure is a gas sensor including a sensor element and a detection circuit unit that detects a specific gas component in the gas to be measured based on the output of the sensor element.
  • the sensor element has a gas chamber to be measured into which the gas to be measured is introduced via a diffusion resistance layer, and a pair of electrode portions arranged on the surface of the solid electrolyte layer in contact with the gas to be measured and the surface in contact with the reference gas.
  • the detection circuit section is An AC voltage application unit that applies an AC voltage signal to the electrochemical cell, A gas concentration detector that detects the concentration information of the specific gas component from the DC signal component included in the output signal of the electrochemical cell, and A cell temperature detection unit that detects temperature information of the electrochemical cell from an AC signal component included in the output signal of the electrochemical cell is provided.
  • the cell temperature detection unit is a signal extraction unit that extracts the AC signal component from the output signal of the electrochemical cell, and a synchronous detection unit that synchronously detects the extracted AC signal component using the AC voltage signal. And, in the gas sensor.
  • the output signal from the electrochemical cell corresponds to the concentration information of the specific gas component.
  • the DC signal component to be used and the AC signal component corresponding to the temperature information of the electrochemical cell are included. Therefore, by separating the DC signal component from the output signal, the gas concentration detection unit can obtain the concentration information of the specific gas component. Further, the AC signal component can be extracted by removing the DC signal component separated from the output signal in the cell temperature detection unit. By synchronously detecting this AC signal component using the applied AC voltage signal, a DC component including temperature information and an AC component can be obtained. Therefore, the noise component is removed together with the AC component among them to obtain temperature information. Only the DC component including the above can be taken out.
  • a gas sensor capable of simultaneously detecting gas concentration information and temperature information by using a sensor element provided with an electrochemical cell, has high noise resistance performance, and can perform accurate detection. Can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram including a sensor element and a detection circuit unit, which are the main parts of the gas sensor, in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the overall configuration of the gas sensor in the first embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the element showing the configuration of the tip of the sensor element in the first embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in the element width direction showing the configuration of the tip portion of the sensor element in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a configuration example of the AC voltage generation unit of the detection circuit unit in the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the frequency of the AC voltage applied to the sensor element and the cell impedance in the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing various signals separated from the signal applied to the sensor element and the signal output to the detection circuit unit and their waveforms in the first embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the signal after synchronous detection by the cell temperature detection unit of the detection circuit unit and the noise component in the first embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the signal before synchronous detection by the cell temperature detection unit of the detection circuit unit and the noise component in the first embodiment.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the applied voltage waveform and the output current waveform to the sensor element in the first embodiment in comparison with the case where the conventional applied voltage switching is performed.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the applied voltage waveform and the output current waveform to the sensor element in the first embodiment in comparison with the case where the conventional applied voltage switching is performed.
  • FIG. 11 is a diagram showing a configuration example when the main part of the detection circuit unit is an analog arithmetic circuit and a digital arithmetic circuit in the first embodiment.
  • FIG. 12 is a block diagram showing another configuration example of the AC voltage generation unit of the detection circuit unit in the first embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram showing the overall configuration of the gas sensor in the second embodiment.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view in the longitudinal direction of the element showing the configuration of the tip portion of the sensor element in the second embodiment.
  • the gas sensor 1 of the present embodiment is used, for example, in an exhaust gas purification system of a vehicle engine which is an internal combustion engine, and detects a specific gas concentration in an exhaust gas which is a measured gas.
  • the specific gas contained in the gas to be measured include various gas components such as oxygen and NOx.
  • the gas sensor 1 includes, for example, a sensor element 2 capable of detecting an oxygen concentration and a NOx concentration.
  • the gas sensor 1 includes a sensor element 2 and a detection circuit unit 3 that detects a specific gas component in the gas to be measured based on the output of the sensor element 2.
  • the sensor element 2 is configured to include one or more electrochemical cells 4. As shown in FIGS. 3 and 4, the sensor element 2 has a gas chamber 22 to be measured into which the gas to be measured is introduced via the diffusion resistance layer 21, and is configured as a limit current type sensor element.
  • the electrochemical cell 4 has a solid electrolyte layer 11 and a pair of electrode portions 41, 42 arranged on a surface in contact with the gas to be measured and a surface in contact with the reference gas.
  • the detection circuit unit 3 includes an AC voltage application unit 31, a gas concentration detection unit 32, and a cell temperature detection unit 33.
  • the AC voltage application unit 31 applies an AC voltage signal (for example, sin ⁇ t) to the pair of electrode units 41 and 42 of the electrochemical cell 4, and the gas concentration detection unit 32 applies an output signal (for example, sin ⁇ t) of the electrochemical cell 4.
  • the concentration information of the specific gas component for example, air-fuel ratio A / F; hereinafter referred to as gas concentration information
  • Asin ⁇ t + B the concentration information of the electrochemical cell 4
  • the temperature information of the electrochemical cell 4 for example, cell impedance Zac; hereinafter referred to as cell temperature information
  • the cell temperature detection unit 33 electrochemistry of the signal extraction unit 34 that extracts an AC signal component (for example, Asin ⁇ t) from the output signal of the electrochemical cell 4 and the extracted AC signal component (for example, Asin ⁇ t).
  • a synchronous detection unit 35 that performs synchronous detection using an AC voltage signal (for example, sin ⁇ t) applied to the cell 4 is provided.
  • the gas concentration detection unit 32 has an averaging processing unit 321 that extracts the DC signal component (for example, B) by averaging the output signal of the electrochemical cell 4.
  • the signal extraction unit 34 has a subtraction processing unit 341 that extracts the AC signal component by subtracting the extracted DC signal component from the output signal of the electrochemical cell 4.
  • the synchronous detection unit 35 has a multiplication processing unit 351 that multiplies the extracted AC signal component and the applied AC voltage signal, and a frequency lower than the frequency of the applied AC voltage signal among the signals after the multiplication processing. It has a filter unit 352 for passing the component on the side.
  • the DC signal component can be separated from the output signal of the electrochemical cell 4 to obtain a signal corresponding to the gas concentration information.
  • the separated DC signal component can be used to separate the AC signal component including the cell temperature information.
  • the high frequency noise component can be removed and the cell temperature information can be detected with high accuracy.
  • the AC voltage application unit 31 includes an AC voltage generation unit (for example, a sine wave generation unit 311) that generates a sine wave signal or a square wave signal as an AC voltage signal, and continuously generates an AC voltage signal.
  • the sensor element 2 can include a plurality of electrochemical cells 4. In that case, the detection circuit unit 3 is provided corresponding to one or more electrochemical cells 4.
  • the gas sensor 1 further includes a heater control unit 50 that controls the operation of the heater unit 5 built in the sensor element 2.
  • the heater control unit 50 feedback-controls the temperature of the sensor element 2 based on the detection result of the cell temperature detection unit 33 provided in one or more detection circuit units 3.
  • gas concentration information and cell temperature information can be simultaneously obtained in the electrochemical cell 4 connected to the detection circuit unit 3.
  • the noise component can be removed from the cell temperature information. Therefore, it is possible to obtain a high-performance gas sensor 1 by achieving both constant detection of the gas concentration by the sensor element 2 and temperature control of the sensor element 2.
  • the gas sensor 1 includes a sensor element 2 including one or more electrochemical cells 4, and a detection circuit unit 3 connected to the sensor element 2.
  • the gas sensor 1 is a limit current type sensor that performs detection based on the limit current flowing through the electrochemical cell 4.
  • the sensor element 2 includes a pump cell 4p, a monitor cell 4m, and a sensor cell 4s 3. It has a cell-type element structure, and the operation of the sensor element 2 is controlled by the sensor control unit 10 including the detection circuit unit 3.
  • the sensor control unit 10 includes a detection circuit unit 3 connected to at least one or two or more of the electrochemical cells 4, and for the corresponding electrochemical cells 4, the gas concentration of the specific gas component and the cell temperature are simultaneously measured. Detection can be performed.
  • the pump cell 4p detects the oxygen concentration (air-fuel ratio A / F) and the cell temperature which is the representative temperature of the sensor element 2 (hereinafter, appropriately referred to as the element temperature). And are cells to be performed at the same time.
  • the output of the sensor element 2 from the pump cell 4p is taken into the detection circuit unit 3 via, for example, the current-voltage conversion unit 20 including an amplifier.
  • the sensor element 2 is configured as, for example, a NOx sensor element.
  • the sensor element 2 discharges oxygen in the exhaust gas by the oxygen pumping action of the pump cell 4p, adjusts the oxygen concentration, and detects the air-fuel ratio A / F from the current flowing at that time. Further, in a state where the oxygen concentration is adjusted, the NOx concentration in the exhaust gas can be detected by monitoring the oxygen concentration remaining in the exhaust gas with the monitor cell 4 m and removing the influence of the residual oxygen from the output of the sensor cell 4s. can.
  • the sensor control unit 10 includes a heater control unit 50 and a NOx detection unit 60 in addition to the detection circuit unit 3.
  • the heater control unit 50 is, for example, a heater unit 5 built in the sensor element 2 so that the sensor element 2 is in a state suitable for detecting the gas concentration based on the detection result of the cell temperature by the detection circuit unit 3. Feedback control of operation.
  • the NOx detection unit 60 can detect the NOx concentration contained in the exhaust gas, for example, based on the output difference from the sensor cell 4s and the monitor cell 4m. The specific configuration of the sensor control unit 10 including the detection circuit unit 3 will be described later.
  • the sensor element 2 has a laminated element structure in which a ceramic layer forming a plurality of electrochemical cells 4 and a heater portion 5 are laminated.
  • the plurality of electrochemical cells 4 are a pump cell 4p, a monitor cell 4m, and a sensor cell 4s, and are composed of a solid electrolyte layer 11 and a pair of electrode portions 41, 42 arranged on the surface thereof, respectively.
  • the solid electrolyte layer 11 and the reference electrode 42 which is one of the pair of electrode portions, are common to each cell.
  • the sensor element 2 has a rectangular parallelepiped shape with the vertical direction of FIG. 3 as the longitudinal direction X, and the electrochemical cell 4 is formed inside one end side (lower end side shown in the figure) which is the tip end portion.
  • the sensor element 2 is attached so as to protrude into an exhaust gas pipe (not shown) with the outer periphery on the tip side covered with an element cover (not shown), and is exposed to exhaust gas as a gas to be measured.
  • the base end portion on the other end side of the sensor element 2 is located outside the exhaust gas pipe and is exposed to the atmosphere serving as a reference gas.
  • the gas chamber 22 to be measured is formed on one side of the solid electrolyte layer 11, and the reference gas chamber 23 is formed on the other side of the solid electrolyte layer 11.
  • Exhaust gas is introduced into the gas chamber 22 to be measured via the diffusion resistance layer 21 formed on the tip surface of the sensor element 2, and the reference gas chamber 23 opens to the base end surface of the sensor element 2 to allow the atmosphere to flow. It is being introduced.
  • a pair of electrode portions 41 and 42 are arranged to face each other on both sides of the common solid electrolyte layer 11 with the common solid electrolyte layer 11 interposed therebetween.
  • One surface of the solid electrolyte layer 11 is a measurement surface in contact with the gas to be measured, and the other surface is a reference surface in contact with the reference gas.
  • One of the pair of electrode portions 41 and 42 is a pump electrode 41p forming the pump cell 4p, a monitor electrode 41m forming the monitor cell 4m, and a sensor electrode 41s forming the sensor cell 4s, and is a solid electrolyte facing the gas chamber 22 to be measured. It is arranged on the measurement surface of the layer 11.
  • the common reference electrode 42 which is the other side of the pair of electrode portions 41 and 42, is arranged on the reference surface of the solid electrolyte layer 11 facing the reference gas chamber 23.
  • the solid electrolyte layer 11 is formed into a rectangular flat plate shape, and the shielding layer 13 is laminated on the gas chamber 22 side thereof via the insulating layer 12 including the diffusion resistance layer 21.
  • the heater base material layer 51 forming the heater portion 5 is laminated on the reference gas chamber 23 side of the solid electrolyte layer 11 via the insulating layer 14.
  • a rectangular punch hole to be a gas chamber 22 to be measured is formed on the tip side of the insulating layer 12, and an elongated punch hole extending from the tip side to the proximal end side is provided on the insulating layer 14, and the reference gas is provided. It forms a chamber 23.
  • a porous protective layer 15 is provided on the outer surface of the sensor element 2.
  • the solid electrolyte layer 11 is composed of a sheet of solid electrolyte having oxide ion conductivity.
  • oxide ion conductive solid electrolyte include stabilized zirconia and partially stabilized zirconia.
  • stabilizer include at least one selected from the group consisting of ittoria, calcia, magnesia, scandia, ittervi, and hafnia, and zirconia stabilized with ittoria is preferably used.
  • the insulating layer 12 is, for example, a sheet made of insulating ceramics such as alumina, and a part of the chamber wall on the distal end side of the gas chamber 22 to be measured is made of porous ceramics to have gas permeability.
  • the diffusion resistance layer 21 is used.
  • the shielding layer 13 is a dense sheet made of insulating ceramics, and constitutes the top surface of the gas chamber 22 to be measured to limit gas permeation.
  • Each of these layers can be molded by a known sheet molding method or the like, and the material, porosity, etc. are adjusted so as to have desired sheet characteristics.
  • Exhaust gas is introduced into the gas chamber 22 to be measured from the diffusion resistance layer 21 constituting the chamber wall on the distal end side with the longitudinal direction X as the gas flow direction.
  • the pump electrode 41p of the pump cell 4p is formed on the surface on the distal end side of the solid electrolyte layer 11, that is, on the upstream side of the gas flow.
  • the diffusion resistance layer 21 is arranged in the vicinity of the solid electrolyte layer 11 which is the bottom surface of the gas chamber 22 to be measured so as to have the same width as the gas chamber 22 to be measured.
  • the exhaust gas containing NOx and oxygen is evenly introduced into the entire pump electrode 41p.
  • the monitor electrode 41m of the monitor cell 4m and the sensor electrode 41s of the sensor cell 4s are arranged in parallel so as to be at the same position with respect to the gas flow direction.
  • the pump electrode 41p, the monitor electrode 41m and the sensor electrode 41s contain a noble metal such as Pt, Au, Rh or a noble metal alloy, and can be configured as a porous cermet electrode having gas permeability.
  • the pump electrode 41p of the pump cell 4p is preferably inactive against the decomposition of NOx, and can be, for example, a porous cermet electrode containing Au-Pt or the like. As a result, NOx contained in the exhaust gas reaches the monitor cell 4m and the sensor cell 4s downstream of the pump cell 4p without being decomposed.
  • the oxygen remaining in the exhaust gas is decomposed and discharged to the reference gas chamber 23 side.
  • the critical current flows.
  • oxide ions are based on the oxygen generated by the decomposition of NOx in addition to the oxygen remaining in the exhaust gas. Is discharged to the reference gas chamber 23 side, and the critical current flows. Therefore, the NOx concentration in the exhaust gas can be known by comparing the output current of the monitor cell 4m with the output current of the sensor cell 4s.
  • the sensor control unit 10 includes a detection circuit unit 3 provided corresponding to at least one or two or more of the electrochemical cells 4 of the sensor element 2.
  • the detection circuit unit 3 is provided corresponding to the pump cell 4p of the sensor element 2, and is based on the AC voltage application unit 31 including the sine wave generation unit 311 which is the AC voltage generation unit and the AC output from the pump cell 4p. It is assumed that the gas concentration detecting unit 32 for detecting the oxygen concentration (air-fuel ratio) and the cell temperature detecting unit 33 for detecting the cell temperature are provided.
  • the AC voltage application unit 31 of the detection circuit unit 3 has a sine wave generation unit 311 which is an AC voltage generation unit for generating an AC voltage signal to be applied to the pump cell 4p.
  • the sine wave generation unit 311 generates a desired sine wave signal (sin ⁇ t) as an AC voltage signal, and continuously between the pump electrode 41p and the reference electrode 42 of the pump cell 4p via, for example, an amplifier 30. Apply.
  • the alternating current flowing between the electrodes of the pump cell 4p according to the applied voltage is continuously detected, and the current-voltage conversion unit 20 converts the current-voltage (hereinafter, appropriately converted voltage signal). It is input to the gas concentration detection unit 32.
  • the frequency of the AC voltage signal supplied from the AC voltage application unit 31 to the sensor element 2 is the impedance of the electrochemical cell 4 detected by the detection circuit unit 3 (hereinafter, appropriately, as appropriate). It is arbitrarily set according to the cell impedance).
  • the frequency of the AC voltage signal is inversely proportional to the cell impedance, and the lower the frequency, the higher the cell impedance, and the larger the amount of change. Therefore, for example, in a range in which the amount of change in cell impedance with respect to a change in frequency is relatively small, the detection circuit unit 3 can stably detect the cell impedance, and the size is suitable for detection (for example, 20 ohms).
  • the frequency can be set as appropriate (for example, 10 kHz).
  • This converted voltage signal includes an AC signal component Asin ⁇ t including cell temperature information and a DC signal component B including gas concentration information.
  • the magnitude of the amplitude A in the AC signal component Asin ⁇ t corresponds to the cell impedance (Zac) which is the cell temperature information.
  • the magnitude of the DC signal component B corresponds to the air-fuel ratio (A / F) which is the gas concentration information.
  • Sine wave signal sin ⁇ t Converted voltage signal: Asin ⁇ t + B A: Corresponds to cell temperature information (cell impedance Zac) B: Corresponds to gas concentration information (air-fuel ratio A / F)
  • the AC signal component Asin ⁇ t is a sinusoidal signal having the same frequency and phase but different amplitude as the AC voltage signal which is the cell applied voltage.
  • the change in amplitude depends on the cell impedance Zac. Therefore, by separating the AC signal component Asin ⁇ t from the converted voltage signal, the signal including the cell temperature information can be extracted. Similarly, by separating the DC signal component B from the converted voltage signal, a signal including gas concentration information can be extracted.
  • the cell temperature detection unit 33 can extract cell temperature information that does not include the noise component by subtracting the DC signal component B from the converted voltage signal Asin ⁇ t + B and then performing synchronous detection.
  • the LPF post-voltage signal (A / 2) corresponds to the cell impedance Zac in the pump cell 4p, and is output to the heater control unit 50 of the sensor control unit 10 at any time and used for energization control of the heater unit 5, for example. Will be done.
  • the multiplied voltage signal that has passed through the multiplication processing unit 351 is as follows. become that way. Voltage signal after multiplication: (A / 2)-(A / 2) ⁇ cos (2 ⁇ t) + noise component (double frequency)
  • the filter unit 352 that passes the low frequency.
  • the cutoff frequency of the filter unit 352 can be arbitrarily set (for example, 10 kHz).
  • the low-pass filter constituting the filter section 352 can generally be designed to be steeper than the bandpass filter, and theoretically, the filter can be set so that the frequency as close as possible to the DC component is the pass range. Therefore, highly accurate signal detection becomes possible.
  • the gas sensor 1 has a detection circuit unit 3 for the sensor cell 40s for detecting ammonia, in addition to the detection circuit unit 3 connected to the pump cell 4p of the sensor element 2. It is provided.
  • the configuration of the detection circuit unit 3 connected to the sensor cell 40s is the same as that connected to the pump cell 4p, and is not shown. The same applies to the sensor control unit including the detection circuit unit 3, and the illustration is omitted.
  • the sensor element 2 may have a monitor cell 4 m, but may not have the monitor cell 2.
  • the sensor element 2 has a configuration having a plurality of solid electrolyte layers 11A and 16.
  • a gas chamber 22 to be measured and a reference gas chamber 23 are provided on both sides of the oxide ion conductive first solid electrolyte layer 11A, and the reference gas chamber 23 has, for example, the atmosphere as the first reference gas. Is introduced.
  • the pump electrode 41p forming the pump cell 4p and the monitor electrode 41m forming the monitor cell 4m are formed on the surface of the first solid electrolyte layer 11A. Have been placed.
  • the sensor cell 40s is controlled to a temperature higher than the operating temperature suitable for detecting ammonia and lower than the pump cell 4p and the monitor cell 4m (for example, about 400 ° C to 600 ° C).
  • the sensor cell 40s may conduct electrons due to the decomposition of oxygen in the solid electrolyte layer 16 when the oxygen concentration in the exhaust gas reaching the sensor electrode 410s exceeds 300 ppm under the condition of 350 ° C. There is.
  • the pump cell 4p and the monitor cell 4m as the temperature becomes higher, the ionization of oxygen is promoted and the discharge of oxygen becomes easier to proceed.
  • the gas sensor 1 uses the exhaust gas of the vehicle engine as the gas to be measured, and the sensor element 2 detects oxygen, NOx, or ammonia contained in the exhaust gas, but other gases contained in the exhaust gas. May be detected.
  • the sensor element 2 has a three-cell structure and one or two of the electrochemical cells 4 are provided with the detection circuit unit 3 has been illustrated, but the sensor element 2 has one cell or two.
  • the cell structure may be used, or the detection circuit unit 3 may be connected to all the cells of the electrochemical cell 4.
  • the exhaust gas of the vehicle engine not only the exhaust gas of various internal combustion engines and the like may be used as the gas to be measured.

Abstract

ガスセンサ（１）は、センサ素子（２）の出力に基づいて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出回路部（３）を備える。検出回路部（３）は、電気化学セル（４）の一対の電極部（４１、４２）に交流電圧信号を印加する交流電圧印加部（３１）と、電気化学セル（４）の出力信号に含まれる直流信号成分から、特定ガス成分の濃度情報を検出するガス濃度検出部（３２）と、電気化学セル（４）の出力信号に含まれる交流信号成分から、電気化学セル（４）の温度情報を検出するセル温度検出部（３３）を備える。セル温度検出部（３３）は、電気化学セルの出力信号から、直流信号成分を除去して、交流信号成分を分離する信号抽出部（３４）と、分離された交流信号成分を、交流電圧信号を用いて同期検波する同期検波部（３５）と、を備える。

Description

ガスセンサ 関連出願の相互参照
　本出願は、２０２０年１０月２日に出願された特許出願番号２０２０－１６７９０５号に基づくもので、ここにその記載内容を援用する。
　本開示は、被測定ガスに含まれる特定ガス濃度を検出するためのガスセンサに関する。
　内燃機関の排ガス通路には、排ガスに含まれる各種ガス濃度を検出するためのガスセンサが配置されている。このようなガスセンサは、空燃比センサやＮＯｘセンサ等として、内燃機関の燃焼状態や排ガス処理装置の作動を監視するために用いられ、一般に、固体電解質型のセンサ素子を備えている。固体電解質型のセンサ素子は、酸化物イオン導電性の固体電解質層の表面に一対の電極を設けた電気化学セルを有しており、測定しようとするガス種に適した素子構造や検出方式を採用することができる。
　例えば、ＮＯｘセンサは、複数の電気化学セルを組み合わせた素子構成を有し、空燃比センサとしても機能する。具体的には、素子内部に拡散抵抗を介して導入される被測定ガス中の酸素をポンピングするポンプセルと、ポンピング後の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するセンサセルとを含む、限界電流式のセンサ素子として構成される。このとき、ポンプセルを流れる電流が、酸素濃度に応じた限界電流となることを利用して、内燃機関の空燃比（すなわち、Ａ／Ｆ）を監視することができる。
　また、センサ素子には、ヒータが内蔵されており、電気化学セルの作動に適した温度となるように、ヒータへの通電が制御される。センサ素子の温度検出には、例えば、ヒータ抵抗や固体電解質層のインピーダンスと素子温度との相関関係が利用されており、別体の温度検出素子等を設けることなく、センサ素子の温度を検出することができる。例えば、特許文献１には、センサの２つの電極に直流電圧源から給電されることにより、酸素量に依存する出力を生じる限界電流式センサにおいて、交流電圧源から給電されたときに流れる交流電流を、温度の尺度とする温度測定方法が記載されている。
　特許文献１に記載される方法は、具体的には、交流電圧源の出力側電圧が直流電圧源に重畳されるようにし、電流測定用の抵抗によって取り出される信号を、高域フィルタ及び低域フィルタを用いて分離するものである。このとき、高域フィルタは直流電圧成分が通過しないように構成されており、温度に依存する交流電圧信号が出力される。一方、低域フィルタは交流電圧源の周波数が通過しないように構成され、酸素濃度に比例する直流電圧信号が出力されるようになっている。
特開平４－２４６５７号公報
　近年、排ガス浄化性能のさらなる向上のために、ガスセンサによるガス濃度の検出精度を高めることが要求されている。また、センサ出力は温度依存性を有することから、センサ素子の温度を精度よく検出して、ヒータ制御等に反映させることが望ましい。このとき、電気化学セルのインピーダンスを利用すれば、より検出部に近い位置の温度情報を検出できるが、温度検出時にガス濃度の検出を停止する必要があり、常時検出ができなくなる。一方で、車載電子機器の増加等に伴い、検出信号の処理過程において、車両運転環境にて発生する高周波ノイズ等の影響が無視できないものとなっている。
　ここで、特許文献１のように、交流電圧を印加したときの検出信号を、２つのフィルタを用いて分離することにより、温度の尺度となる信号と共に、ガス濃度に対応する信号を取り出すことが可能になる。しかしながら、この方法では、温度の尺度となる交流信号を取り出す際に、高周波信号を通過させる広域フィルタ又は帯域フィルタを用いており、高周波ノイズ等のノイズ成分を排除することができず、交流信号の検出精度を悪化させている。そのために、従来は、直流電圧の印加によるガス濃度の検出と、交流電圧の印加による温度の検出とを、異なるタイミングで行っているのが実情であり、車両ノイズ環境への対応と、ガス濃度及び温度の常時検出とを両立させることが望まれている。
　本開示の目的は、電気化学セルを備えるセンサ素子を用いて、ガス濃度情報と温度情報とを同時に検出することができ、耐ノイズ性能が高く、精度よい検出が可能なガスセンサを提供しようとするものである。
　本開示の一態様は、センサ素子と、上記センサ素子の出力に基づいて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出回路部と、を備えるガスセンサであって、
　上記センサ素子は、拡散抵抗層を介して被測定ガスが導入される被測定ガス室と、固体電解質層の被測定ガスに接する表面及び基準ガスに接する表面に配設される一対の電極部を有する電気化学セルと、を備えており、
　上記検出回路部は、
　上記電気化学セルに交流電圧信号を印加する交流電圧印加部と、
　上記電気化学セルの出力信号に含まれる直流信号成分から、上記特定ガス成分の濃度情報を検出するガス濃度検出部と、
　上記電気化学セルの出力信号に含まれる交流信号成分から、上記電気化学セルの温度情報を検出するセル温度検出部と、を備え、
　上記セル温度検出部は、上記電気化学セルの出力信号から、上記交流信号成分を抽出する信号抽出部と、抽出された上記交流信号成分を、上記交流電圧信号を用いて同期検波する同期検波部と、を備える、ガスセンサにある。
　上記構成のガスセンサにおいて、センサ素子の電気化学セルに、検出回路部の交流電圧印加部から交流電圧信号が印加されるとき、電気化学セルからの出力信号には、特定ガス成分の濃度情報に対応する直流信号成分と、電気化学セルの温度情報に対応する交流信号成分が含まれる。したがって、出力信号から直流信号成分が分離されることにより、ガス濃度検出部において、特定ガス成分の濃度情報が得られる。また、セル温度検出部において、出力信号から分離された直流信号成分を除去することにより、交流信号成分を抽出することができる。この交流信号成分を、印加された交流電圧信号を用いて同期検波することにより、温度情報を含む直流成分と交流成分が得られるので、このうちの交流成分と共にノイズ成分を除去して、温度情報を含む直流成分のみを取り出すことができる。
　以上のごとく、上記態様によれば、電気化学セルを備えるセンサ素子を用いて、ガス濃度情報と温度情報とを同時に検出することができ、耐ノイズ性能が高く、精度よい検出が可能なガスセンサを提供することができる。
　本開示についての上記目的及びその他の目的、特徴や利点は、添付の図面を参照しながら下記の詳細な記述により、より明確になる。その図面は、
図１は、実施形態１における、ガスセンサの主要部であるセンサ素子と検出回路部を含む概略構成図であり、 図２は、実施形態１における、ガスセンサの全体構成を示す図であり、 図３は、実施形態１における、センサ素子の先端部構成を示す素子長手方向の断面図であり、 図４は、実施形態１における、センサ素子の先端部構成を示す素子幅方向の断面図であり、 図５は、実施形態１における、検出回路部の交流電圧生成部の構成例を示すブロック図であり、 図６は、実施形態１における、センサ素子に印加される交流電圧の周波数とセルインピーダンスの関係を示す図であり、 図７は、実施形態１における、センサ素子への印加信号と検出回路部に出力される信号から分離される各種信号及びその波形を示す図であり、 図８は、実施形態１における、検出回路部のセル温度検出部による同期検波後の信号とノイズ成分との関係を示す図であり、 図９は、実施形態１における、検出回路部のセル温度検出部による同期検波前の信号とノイズ成分との関係を示す図であり、 図１０は、実施形態１における、センサ素子への印加電圧波形と出力電流波形の関係を、従来の印加電圧切替を行う場合と比較して示す図であり、 図１１は、実施形態１において、検出回路部の主要部をアナログ演算回路とした場合及びデジタル演算回路とした場合の構成例を示す図であり、 図１２は、実施形態１における、検出回路部の交流電圧生成部の他の構成例を示すブロック図であり、 図１３は、実施形態２における、ガスセンサの全体構成を示す図であり、 図１４は、実施形態２における、センサ素子の先端部構成を示す素子長手方向の断面図である。
（実施形態１）
　以下、ガスセンサに係る実施形態１について、図１～図１２を参照して説明する。
　図１、図２において、本実施形態のガスセンサ１は、例えば、内燃機関である車両エンジンの排ガス浄化システムに用いられて、被測定ガスである排ガス中の特定ガス濃度を検出する。具体的には、被測定ガスに含まれる特定ガスとして、酸素やＮＯｘ等の各種ガス成分が挙げられる。図２に示すように、ガスセンサ１は、例えば、酸素濃度及びＮＯｘ濃度を検出可能なセンサ素子２を備えている。
　ガスセンサ１は、センサ素子２と、センサ素子２の出力に基づいて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出回路部３と、を備える。センサ素子２は、１又は２以上の電気化学セル４を備えて構成されている。図３、図４に示すように、センサ素子２は、拡散抵抗層２１を介して被測定ガスが導入される被測定ガス室２２を有し、限界電流式センサ素子として構成されている。電気化学セル４は、固体電解質層１１と、その被測定ガスに接する表面及び基準ガスに接する表面に配設される一対の電極部４１、４２とを有している。
　図１に示すように、検出回路部３は、交流電圧印加部３１と、ガス濃度検出部３２と、セル温度検出部３３と、を備えている。交流電圧印加部３１は、電気化学セル４の一対の電極部４１、４２に交流電圧信号（例えば、ｓｉｎωｔ）を印加するものであり、ガス濃度検出部３２は、電気化学セル４の出力信号（例えば、Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ）から、特定ガス成分の濃度情報（例えば、空燃比Ａ／Ｆ；以下、ガス濃度情報と称する）を検出する。また、電気化学セル４の出力信号から、セル温度検出部３３において、電気化学セル４の温度情報（例えば、セルインピーダンスＺａｃ；以下、セル温度情報と称する）が検出される。
　また、セル温度検出部３３は、電気化学セル４の出力信号から、交流信号成分（例えば、Ａｓｉｎωｔ）を抽出する信号抽出部３４と、抽出された交流信号成分（例えば、Ａｓｉｎωｔ）を、電気化学セル４へ印加された交流電圧信号（例えば、ｓｉｎωｔ）を用いて同期検波する同期検波部３５と、を備える。
　具体的には、ガス濃度検出部３２は、電気化学セル４の出力信号を平均化処理して、直流信号成分（例えば、Ｂ）を抽出する平均化処理部３２１を有する。また、信号抽出部３４は、電気化学セル４の出力信号から、抽出された直流信号成分を減算して、交流信号成分を抽出する減算処理部３４１を有する。同期検波部３５は、抽出された交流信号成分と、印加された交流電圧信号とを乗算する乗算処理部３５１と、乗算処理後の信号のうち、印加された交流電圧信号の周波数よりも低周波数側の成分を通過させるフィルタ部３５２と、を有する。
　このように構成すると、電気化学セル４の出力信号から、直流信号成分を分離して、ガス濃度情報に対応する信号を得ることができる。同時に、分離した直流信号成分を用いて、セル温度情報を含む交流信号成分を分離することができる。さらに、この交流信号成分を、同期検波した後にフィルタリングすることにより、高周波のノイズ成分を除去して、セル温度情報を精度よく検出することができる。
　好適には、交流電圧印加部３１は、交流電圧信号としての正弦波信号又は矩形波信号を生成する、交流電圧生成部（例えば、正弦波生成部３１１）を備え、交流電圧信号を連続的に印加する。また、センサ素子２は、複数の電気化学セル４を備えることができる。その場合には、検出回路部３は、１つ又は２つ以上の電気化学セル４に対応して設けられる。
　図２に示すように、好適には、ガスセンサ１は、センサ素子２に内蔵されるヒータ部５の作動を制御するヒータ制御部５０を、さらに備えている。ヒータ制御部５０は、１つ又は２つ以上の検出回路部３に設けられるセル温度検出部３３の検出結果に基づいて、センサ素子２の温度をフィードバック制御する。
　このような構成のガスセンサ１により、検出回路部３に接続された電気化学セル４において、ガス濃度情報及びセル温度情報が同時に得られる。また、セル温度情報からノイズ成分を除去することができる。したがって、センサ素子２によるガス濃度の常時検出と、センサ素子２の温度制御を両立させて、高性能なガスセンサ１を得ることができる。
（ガスセンサ１の全体構成）
　次に、ガスセンサ１の構成例について、詳細に説明する。図１に示すように、ガスセンサ１は、１つ以上の電気化学セル４を備えるセンサ素子２と、センサ素子２に接続される検出回路部３と、を備えている。ガスセンサ１は、電気化学セル４を流れる限界電流に基づいて検出を行う限界電流式センサであり、図２に一例を示すように、センサ素子２は、ポンプセル４ｐ、モニタセル４ｍ及びセンサセル４ｓを備える３セル型の素子構造を有し、検出回路部３を含むセンサ制御部１０によって、センサ素子２の作動が制御されている。
　センサ制御部１０は、電気化学セル４の少なくとも１つ又は２つ以上に接続される検出回路部３を備えており、対応する電気化学セル４について、特定ガス成分のガス濃度とセル温度の同時検出を行うことができる。図２に示すセンサ素子２は、例えば、ポンプセル４ｐを、酸素濃度（空燃比Ａ／Ｆ）の検出と、センサ素子２の代表温度（以下、適宜、素子温度と称する）となるセル温度の検出とを、同時に行うセルとする。センサ素子２のポンプセル４ｐからの出力は、例えば、増幅器を含む電流-電圧変換部２０を介して、検出回路部３に取り込まれる。
　検出回路部３は、交流電圧印加部３１と、ガス濃度検出部３２及びセル素温度検出部３３と、を備えており、センサ素子２のポンプセル４ｐとの間で信号の入出力を行って、ガス濃度及びセル温度の検出を行う。センサ制御部１０は、例えば、図示しない車両エンジンの制御装置（以下、エンジンＥＣＵと称する）からの指令に基づいて、センサ素子２の作動を制御する。センサ素子２によるガス濃度等の検出結果は、センサ制御部１０からエンジンＥＣＵへ出力され、ガスセンサ１を含む排ガス浄化システムの制御等に用いられる。
　本形態において、センサ素子２は、例えば、ＮＯｘセンサ素子として構成されている。センサ素子２は、ポンプセル４ｐの酸素ポンピング作用によって、排ガス中の酸素を排出し、酸素濃度を調整すると共に、その際に流れる電流から、空燃比Ａ／Ｆを検出する。また、酸素濃度が調整された状態で、モニタセル４ｍによって、排ガス中に残存する酸素濃度をモニタし、センサセル４ｓの出力から残存酸素の影響を取り除くことによって、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
　センサ制御部１０は、検出回路部３の他に、ヒータ制御部５０及びＮＯｘ検出部６０を備えている。ヒータ制御部５０は、例えば、検出回路部３によるセル温度の検出結果に基づいて、センサ素子２がガス濃度の検出に適した状態となるように、センサ素子２に内蔵されるヒータ部５の作動をフィードバック制御する。ＮＯｘ検出部６０は、例えば、センサセル４ｓ及びモニタセル４ｍからの出力差に基づいて、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検出することができる。検出回路部３を含むセンサ制御部１０の具体的構成については、後述する。
（センサ素子２の構成）
　図３において、センサ素子２は、複数の電気化学セル４を形成するセラミックス層とヒータ部５とが積層された、積層型の素子構造を有している。複数の電気化学セル４は、ポンプセル４ｐ、モニタセル４ｍ及びセンサセル４ｓであり、それぞれ、固体電解質層１１とその表面に配置される一対の電極部４１、４２にて構成される。固体電解質層１１と、一対の電極部の一方である基準電極４２は、各セルで共通となっている。
　センサ素子２は、図３の上下方向を長手方向Ｘとする直方体形状であり、先端部となる一端側（図中に示す下端側）の内部に、電気化学セル４が形成される。センサ素子２は、先端側の外周囲を図示しない素子カバーにて覆った状態で、図示しない排ガス管内に突出位置するように取り付けられ、被測定ガスとなる排ガスに晒される。センサ素子２の他端側である基端部は、排ガス管の外部に位置して、基準ガスとなる大気に晒される。
　センサ素子２の積層方向において、固体電解質層１１の一方の側には、被測定ガス室２２が形成され、固体電解質層１１のもう一方の側には、基準ガス室２３が形成される。被測定ガス室２２には、センサ素子２の先端面に形成される拡散抵抗層２１を介して、排ガスが導入され、基準ガス室２３は、センサ素子２の基端面に開口して、大気が導入されるようになっている。
　電気化学セル４は、共通の固体電解質層１１を挟んでその両側に、一対の電極部４１、４２が対向配置される。固体電解質層１１は、一方の表面を被測定ガスに接する測定面とし、もう一方の表面を基準ガスに接する基準面としている。一対の電極部４１、４２の一方は、ポンプセル４ｐを形成するポンプ電極４１ｐ、モニタセル４ｍを形成するモニタ電極４１ｍ、センサセル４ｓを形成するセンサ電極４１ｓであり、被測定ガス室２２に面する固体電解質層１１の測定面に配置される。一対の電極部４１、４２のもう一方である共通の基準電極４２は、基準ガス室２３に面する固体電解質層１１の基準面に配置される。
　固体電解質層１１は、長方形の平板状に成形されており、その被測定ガス室２２側に、拡散抵抗層２１を含む絶縁層１２を介して、遮蔽層１３が積層される。固体電解質層１１の基準ガス室２３側には、絶縁層１４を介して、ヒータ部５を形成するヒータ基材層５１が積層された構成となっている。絶縁層１２の先端側には、被測定ガス室２２となる矩形の抜き穴が形成され、絶縁層１４には、先端側から基端側に至る細長形状の抜き穴が設けられて、基準ガス室２３を形成している。センサ素子２の外表面には、多孔質の保護層１５が設けられている。
　固体電解質層１１は、酸化物イオン導電性を有する固体電解質のシートにて構成される。酸化物イオン導電性の固体電解質は、例えば、安定化ジルコニア、部分安定化ジルコニア等が挙げられる。安定化剤としては、イットリア、カルシア、マグネシア、スカンジア、イッテルビ、ハフニアからなる群から選ばれる少なくとも１種が挙げられ、好適には、イットリアで安定化されたジルコニアが用いられる。
　絶縁層１２は、例えば、アルミナ等の絶縁性セラミックスからなるシートであり、被測定ガス室２２の先端側の室壁となる一部を、多孔質セラミックスにて構成して、ガス透過性を有する拡散抵抗層２１としている。遮蔽層１３は、絶縁性セラミックスからなる緻密なシートであり、被測定ガス室２２の頂面を構成して、ガス透過を制限している。これら各層は、公知のシート成形法等により成形することができ、所望のシート特性となるように材料や気孔率等が調整されている。
　ヒータ部５は、絶縁性セラミックスからなるヒータ基材層５１と、ヒータ基材層５１の内部に埋設されるヒータ電極５２とを有する。ヒータ電極５２は、被測定ガス室２２の形成位置に対応して配置され、通電により発熱して、ポンプセル４ｐ、モニタセル４ｍ及びセンサセル４ｓの全体を、検出動作に適した温度（例えば、７００℃～８００℃）に加熱可能となっている。
　被測定ガス室２２には、先端側の室壁を構成する拡散抵抗層２１から、長手方向Ｘをガス流れ方向として、排ガスが導入される。被測定ガス室２２において、固体電解質層１１の先端側、すなわち、ガス流れの上流側の表面には、ポンプセル４ｐのポンプ電極４１ｐが形成される。拡散抵抗層２１は、被測定ガス室２２の底面となる固体電解質層１１の近傍において、被測定ガス室２２の幅と同等幅に配置される。これにより、ポンプ電極４１ｐの全体に、ＮＯｘ及び酸素を含む排ガスが、均等に導入される。ポンプ電極４１ｐの下流側には、モニタセル４ｍのモニタ電極４１ｍ及びセンサセル４ｓのセンサ電極４１ｓは、ガス流れ方向に対して同等位置となるように、並列に配置される。
（センサ素子２の検出原理）
　上記構成のセンサ素子２におけるガス濃度検出の基本原理について、説明する。
　ポンプセル４ｐは、固体電解質層１１を挟んで配置されるポンプ電極４１ｐと基準電極４２との間に、所定の電圧が印加されることにより、被測定ガス室２２と基準ガス室２３との間で、酸素を汲み出し又は汲み入れる酸素ポンピング作用を有する。このとき、ポンプ電極４１ｐにおいて、排ガス中の酸素（Ｏ2）が還元分解されてイオン化する（Ｏ2＋４ｅ-→２Ｏ2-）。生成した酸化物イオン（Ｏ2-）は、固体電解質層１１内を伝導して基準電極４２へ至る。すると、基準電極４２において、酸素が生成して排出される（２Ｏ2-→Ｏ2＋４ｅ-）。その場合に、被測定ガス室２２への排ガスの流入は、拡散抵抗層２１の流通抵抗によって制限されることから、ポンプセル４ｐの出力電流は、排ガス中の酸素濃度に依存した限界電流特性を示す。
　そこで、この特性を利用して、酸素の限界電流域となるように印加電圧を設定することにより、基準ガス室２３に導入される大気を基準として、ポンプセル４ｐを流れる出力電流から、被測定ガス室２２に導入される排ガスの空燃比Ａ／Ｆを知ることができる。なお、ポンプセル４ｐには、空燃比Ａ／Ｆと共にセルインピーダンスＺａｃを同時検出するために、検出回路部３から、交流電圧が印加されるようになっている。検出回路部３については、後述する。
　ポンプ電極４１ｐ、モニタ電極４１ｍ及びセンサ電極４１ｓは、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｈ等の貴金属又は貴金属合金を含み、ガス透過性を有する多孔質サーメット電極として構成することができる。ポンプセル４ｐのポンプ電極４１ｐは、ＮＯｘの分解に対して不活性であることが望ましく、例えば、Ａｕ－Ｐｔ等を含む多孔質サーメット電極とすることができる。これにより、排ガスに含まれるＮＯｘは分解されることなく、ポンプセル４ｐの下流のモニタセル４ｍ及びセンサセル４ｓに到達する。
　モニタセル４ｍのモニタ電極４１ｍは、ポンプ電極４１ｐと同様に、ＮＯｘの分解に対して不活性であることが望ましく、例えば、Ａｕ－Ｐｔ等を含む多孔質サーメット電極とすることができる。センサセル４ｓのセンサ電極４１ｓは、ＮＯｘの分解に対して活性を有することが望ましく、例えば、Ｐｔ又はＰｔ－Ｒｈ等を含む多孔質サーメット電極とすることができる。基準電極４２は、Ｐｔ等の貴金属を含む多孔質サーメット電極とすることができる。
　このとき、モニタセル４ｍにおいて、モニタ電極４１ｍと基準電極４２との間に、所定の電圧が印加されると、排ガス中に残存する酸素が分解して、基準ガス室２３側へ排出されることにより、限界電流が流れる。また、センサセル４ｓにおいて、センサ電極４１ｓと基準電極４２との間に、所定の電圧が印加されると、排ガス中に残存する酸素に加えて、ＮＯｘの分解により生じる酸素に基づいて、酸化物イオンが基準ガス室２３側へ排出され、限界電流が流れる。したがって、モニタセル４ｍの出力電流と、センサセル４ｓの出力電流とを比較することにより、排ガス中のＮＯｘ濃度を知ることができる。
（センサ制御部１０の構成）
　次に、ガスセンサ１のセンサ制御部１０の具体的構成と、センサ全体の制御について説明する。図２において、センサ制御部１０は、センサ素子２の電気化学セル４のうち、少なくとも１つ又は２つ以上に対応して設けられる検出回路部３を備える。検出回路部３は、ここでは、センサ素子２のポンプセル４ｐに対応して設けられ、交流電圧生成部である正弦波生成部３１１を含む交流電圧印加部３１と、ポンプセル４ｐからの交流出力に基づいて、酸素濃度（空燃比）を検出するガス濃度検出部３２と、セル温度を検出するセル温度検出部３３とを備えるものとする。
　センサ制御部１０は、さらに、ヒータ部５の作動を制御するヒータ制御部５０と、モニタセル４ｍ及びセンサセル４ｓからの出力に基づいて、ＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ検出部６０とを備える。ヒータ制御部５０は、セル温度検出部３３によって検出されるセル温度情報に基づいて、センサ素子２が所望の温度範囲となるように、ヒータ部５への通電を制御する。ヒータ部５への通電は、例えば、公知のＰＷＭ制御によって行われ、パルス状に印加されるバッテリ電圧のデューティ比を可変することにより、素子温度をフィードバック制御することができる。
　ＮＯｘ検出部６０は、ポンプセル４ｐの酸素ポンピング作用によって、被測定ガス室２２内が低酸素濃度に調整された状態において、センサセル４ｓ及びモニタセル４ｍに、基準電極４２側を正として所定の電圧を印加し、各セルを流れる限界電流を測定する。このとき、上述したように、センサセル４ｓにおいては、ＮＯｘ及び残留酸素の分解により生じる酸化物イオンに応じた電流が流れ、モニタセル４ｍにおいては、残留酸素のみに応じた電流が流れるので、測定される限界電流の差分値に基づいて、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
　図１において、検出回路部３の交流電圧印加部３１は、ポンプセル４ｐに印加するための交流電圧信号を生成する交流電圧生成部である正弦波生成部３１１を有する。正弦波生成部３１１は、交流電圧信号としての所望の正弦波信号（ｓｉｎωｔ）を生成し、例えば、増幅器３０を介して、ポンプセル４ｐのポンプ電極４１ｐと基準電極４２との間に、連続的に印加する。このとき、印加電圧に応じてポンプセル４ｐの電極間を流れる交流電流が、連続的に検出され、電流-電圧変換部２０にて電流－電圧変換された検出信号（以下、適宜、変換後電圧信号と称する）として、ガス濃度検出部３２へ入力される。
　正弦波生成部３１１は、例えば、図５に示すように、Ｄ／Ａコンバータ（すなわち、図中のＤＡＣ）を用いた波形生成部３１２と、低域通過フィルタ（すなわち、図中のＬＰＦ）３１３とを組み合わせて構成することができる。波形生成部３１２は、矩形パルスが連続する所定の周波数の交流信号を生成可能に構成されている。波形生成部３１２の出力信号は、デジタル的に変化する波形となるため、さらに、低域周波数のみ通過する低域通過フィルタ３１３を用いて正弦波信号を近似する。これにより、図中に示すような正弦波信号を生成して出力することができる。
　このとき、図６に示すように、交流電圧印加部３１からセンサ素子２へ供給される交流電圧信号の周波数は、検出回路部３にて検出される電気化学セル４のインピーダンス（以下、適宜、セルインピーダンスと称する）に応じて任意に設定される。交流電圧信号の周波数は、セルインピーダンスと反比例の関係にあり、周波数が低くなるほどセルインピーダンスが高くなり、また、その変化量が大きくなる。そのため、例えば、周波数の変化に対するセルインピーダンスの変化量が比較的小さくなる範囲において、検出回路部３にて安定して検出可能であり、検出に適した大きさ（例えば、２０オーム）となるように、周波数を適宜設定することができる（例えば、１０ｋＨｚ）。
　このとき、図７に示すように、交流電圧印加部３１からセンサ素子２のポンプセル４ｐへ印加される交流電圧信号（以下、適宜、セル印加電圧と称する）は、正弦波信号ｓｉｎωｔで表され、所定の振幅と周波数を有する信号波形となる。これに対して、センサ素子２のポンプセル４ｐから、ガス濃度（すなわち、被測定ガスの空燃比）に応じたセル出力電流が得られる。セル出力電流は、電流-電圧変換部２０において電流－電圧変換された後、変換後電圧信号としてガス濃度検出部３２に入力される。
　この変換後電圧信号は、セル温度情報を含む交流信号成分Ａｓｉｎωｔと、ガス濃度情報を含む直流信号成分Ｂとを含む。交流信号成分Ａｓｉｎωｔにおける振幅Ａの大きさは、セル温度情報であるセルインピーダンス（Ｚａｃ）に応じたものとなる。また、直流信号成分Ｂの大きさは、ガス濃度情報である空燃比（Ａ／Ｆ）に応じたものとなる。これら信号の関係を以下に示す。
正弦波信号：ｓｉｎωｔ
変換後電圧信号：Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ
Ａ：セル温度情報（セルインピーダンスＺａｃ）に対応
Ｂ：ガス濃度情報（空燃比Ａ／Ｆ）に対応
　ここで、交流信号成分Ａｓｉｎωｔは、セル印加電圧となる交流電圧信号と、周波数と位相が同じで振幅が異なる正弦波信号である。振幅の変化分は、セルインピーダンスＺａｃに依存する。したがって、変換後電圧信号から、交流信号成分Ａｓｉｎωｔを分離することにより、セル温度情報を含む信号を抽出することができる。同様に、変換後電圧信号から、直流信号成分Ｂを分離することにより、ガス濃度情報を含む信号を抽出することができる。
　ただし、センサ素子２の出力にノイズの影響がある場合には、図７に示す変換後電圧信号は、Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ＋（ノイズ成分）となる。このノイズ成分は、変換後電圧信号から交流信号成分Ａｓｉｎωｔと共に抽出される。そこで、交流信号成分Ａｓｉｎωｔを分離すると共に、さらに、ノイズ成分を除去して、セル温度情報のみを含む信号を抽出することが必要となる。そのための回路構成について、以下に説明する。
　図１において、ガス濃度検出部３２は、変換後電圧信号Ａｓｉｎωｔ＋Ｂを平均化処理して、直流信号成分Ｂを取り出すための平均化処理部３２１を備える。平均化処理部３２１は、例えば、図２に示す低域通過フィルタ（すなわち、ＬＰＦ）とすることができる。これにより、図７に示すように、交流成分が取り除かれて、平均化処理後電圧信号として、直流信号成分Ｂのみが出力される。
　このようにして、ガス濃度検出部３２において、変換後電圧信号Ａｓｉｎωｔ＋Ｂから、ガス濃度情報を含む直流信号成分Ｂを取り出すことができる。直流信号成分Ｂは、ここでは、ポンプセル４ｐに導入される排ガスの空燃比Ａ／Ｆに対応し、空燃比Ａ／Ｆ信号として、例えば、センサ制御部１０からエンジンＥＣＵへ随時出力されて、空燃比制御等に利用される。
　一方、図１において、セル温度検出部３３は、信号抽出部３４と、同期検波部３５とを有する。信号抽出部３４は、減算処理部３４１を有し、電気化学セル４の出力信号から交流信号成分Ａｓｉｎωｔを抽出する。具体的には、図７に示すように、変換後電圧信号Ａｓｉｎωｔ＋Ｂから、ガス濃度検出部３２にて抽出された直流信号成分Ｂを減算することにより、減算後電圧信号として、交流信号成分Ａｓｉｎωｔが取り出される。
　さらに、同期検波部３５は、乗算処理部３５１と、フィルタ部３５２とを有して、ノイズ成分が含まれない信号を取り出す。具体的には、乗算処理部３５１において、減算処理により得られた交流信号成分Ａｓｉｎωｔに、交流電圧印加部３１にて生成された正弦波信号ｓｉｎωｔを掛け合わせる。図７に乗算後電圧信号として示すように、乗算処理により得られる信号は、三角関数の公式から、以下の式で表される。
ｓｉｎωｔ・Ａｓｉｎωｔ
＝（Ａ／２）・｛ｃｏｓ（０）－Ａ・ｃｏｓ（ωｔ＋ωｔ）／２｝
＝（Ａ／２）－（Ａ／２）・ｃｏｓ（２ωｔ）
　フィルタ部３５２は、例えば、低域通過フィルタ（すなわち、ＬＰＦ）とすることができる。乗算後電圧信号は、乗算処理前の交流信号成分Ａｓｉｎωｔに対して、１／２の振幅の直流成分と、２倍の角周波数の交流成分とを含む信号となる。したがって、フィルタ部３５２を用いて、この信号の直流成分のみを通過させることにより、交流成分と共に高周波ノイズ等のノイズ成分を除去することができる。これにより、図７にＬＰＦ後電圧信号として示すように、乗算後電圧信号に含まれる直流成分である（Ａ／２）を抽出することができる。
　このようにして、セル温度検出部３３において、変換後電圧信号Ａｓｉｎωｔ＋Ｂから、直流信号成分Ｂを減算した後、同期検波することにより、ノイズ成分を含まないセル温度情報を取り出すことができる。ＬＰＦ後電圧信号（Ａ／２）は、ここでは、ポンプセル４ｐにおけるセルインピーダンスＺａｃに対応し、例えば、センサ制御部１０のヒータ制御部５０へ随時出力されて、ヒータ部５の通電制御等に利用される。
　なお、ガス濃度検出部３２の平均化処理部３２１は、例えば、アナログ回路（抵抗、コンデンサ、インダクタ等を含む）として構成することができる。デジタル回路として構成する場合には、例えば、所定のサンプル数での移動平均処理演算を行って、直流信号成分Ｂを取り出すことができる。交流電圧印加部３１の低域通過フィルタ３１３や、セル温度検出部３３のフィルタ部３５２等に用いられる低域通過フィルタも同様であり、アナログフィルタ又はデジタルフィルタとして構成することができる。
　図８、図９により、ノイズ成分を含む信号について、セル温度検出部３３の信号処理による効果を説明する。図９に示すように、センサ素子２の出力がノイズ成分を含む場合には、検出回路部３に入力される変換後電圧信号は、Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ＋ノイズ成分となる。このとき、一般には、信号成分Ａｓｉｎωｔ＋Ｂを取り出すために、バンドパスフィルタを用いて、信号成分に対応する特定周波数域のみ通過させる。ただし、バンドパスフィルタの通過域（例えば、図中に斜線で示す）にノイズ成分が重なると、その一部（例えば、図中の破線で囲まれる領域）がフィルタを通過してしまう。また、バンドパスフィルタは、フィルタ定数公差により、通過域が変動してしまうために、高精度な信号検出が難しい。
　これに対して、図８に示すように、セル温度検出部３３にて変換後電圧信号の減算処理後に、同期検波を行う場合には、乗算処理部３５１を通過した乗算後電圧信号は、以下のようになる。
乗算後電圧信号：（Ａ／２）－（Ａ／２）・ｃｏｓ（２ωｔ）＋ノイズ成分（周波数２倍）
　このとき、セル温度情報を含む信号成分が直流化されると共に、ノイズ成分の周波数が２倍となるために、低域周波数を通過させるフィルタ部３５２によって、ノイズ成分を取り除くことができる。フィルタ部３５２のカットオフ周波数は、任意に設定することができる（例えば、１０ｋＨｚ）。その場合、フィルタ部３５２を構成する低域通過フィルタは、一般的にバンドパスフィルタよりも急峻に設計可能であり、理論上、直流成分に限りなく近い周波数を通過域とするフィルタ設定が可能であるため、高精度な信号検出が可能になる。
　このように、本実施形態によれば、図１０の上段に示すように、セル印加電圧として交流電圧信号を用いることにより、常時、電気化学セル４（例えば、ポンプセル４ｐ）に電圧を印加して、セル出力電流を得ることができる。ここで、図中のセル出力電流となる交流信号の平均値が、直流信号成分Ｂに相当し、ガス濃度情報（例えば、空燃比Ａ／Ｆ）に応じた値となる。また、セル出力電流の変化量ΔＩは、交流信号成分Ａｓｉｎωｔの振幅Ａに相当し、セル温度情報であるセルインピーダンスＺａｃに応じた値となる。すなわち、セル出力電流の変化量ΔＩは、下記式のように、セル印加電圧の変化量ΔＶをセルインピーダンスＺａｃで除算して得られる。
ΔＩ＝ΔＶ／Ｚａｃ
　このとき、上述したように、連続出力されるセル出力電流の変換後電圧信号Ａｓｉｎωｔ＋Ｂから、ガス濃度情報を示す直流信号成分Ｂを抽出し、同時に、交流信号成分Ａｓｉｎωｔの同期検波により、ノイズ成分を含まないセル温度情報を抽出することができる。よって、本形態によれば、これらガス濃度情報及びセル温度情報を、リアルタイムかつ高い精度よく得ることができ、センサ制御部１０又はエンジンＥＣＵによる制御性を向上することができる。
　一方、図１０の下段に示す従来技術では、セル印加電圧として直流電圧信号を出力する期間（１）と交流電圧信号を出力する期間（２）とを切り替える必要があり、同時検出を行うことができない。この場合には、例えば、期間（１）において、ガス濃度検出用の直流電圧を印加して、直流出力電流を検出し、次いで、期間（２）において、セル温度検出用の交流電圧信号を印加して、交流出力電流のピーク電流値から、セル出力電流の変化量ΔＩを検出することになる。そのために、ガス濃度情報又はセル温度情報の変化を速やかに検出することができず、制御遅れが生じるおそれがある。また、セル温度情報からノイズ成分を排除することができず、検出精度が低下するおそれがある。
　ここで、図１１に示すように、検出回路部３は、演算を行う回路主要部をアナログ回路にて構成してもよいし、デジタル回路にて構成してもよい。図１１の上図は、アナログ演算を行う場合であり、ガス濃度検出部３２及びセル温度検出部３３の出力側に、Ａ／Ｄコンバータ（すなわち、図中に示すＡＤＣ）等を含むデジタル回路を配置して、デジタル変換された信号として外部へ出力する。
　図１１の下図は、デジタル演算を行う場合であり、センサ素子２及び交流電圧印加部３１と、ガス濃度検出部３２及びセル温度検出部３３との間にＡ／Ｄコンバータを配置し、デジタル変換された信号として入力する。ガス濃度検出部３２及びセル温度検出部３３は、マイクロコンピュータ等を用いたデジタル回路として構成され、検出信号が外部へ出力される。
　また、図１２に示すように、検出回路部３は、交流電圧印加部３１から印加される信号を。正弦波信号とする代わりに、方形波信号を用いて生成した交流電圧信号とすることもできる。その場合には、交流電圧印加部３１は、正弦波生成部３１１の代わりに、交流電圧生成部３１４を備え、波形生成部３１５と低域通過フィルタ（すなわち、図中のＬＰＦ）３１６とを組み合わせて構成する。波形生成部３１５は、所定の周期で連続する方形波を生成し、その出力信号は、低域通過フィルタ３１６を通過させることによって、滑らかな波形の交流電圧信号となる。このようにしても、センサ素子２からの出力信号に基づいて、ガス濃度情報及びセル温度情報を得ることができる。
（実施形態２）
　次に、ガスセンサに係る実施形態２について、図１３～図１４を参照して説明する。本形態において、ガスセンサ１は、限界電流式のアンモニアセンサとして構成されており、センサ素子２の複数の電気化学セル４について、それぞれ検出回路部３が設けられて、ガス濃度とセル温度が検出可能となっている。センサ素子２及びセンサ制御部１０の基本構成は、実施形態１と同様であり、以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。
　なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
　図１３に示すように、本形態において、ガスセンサ１は、センサ素子２のポンプセル４ｐに接続される検出回路部３に加えて、アンモニアを検出するためのセンサセル４０ｓに対して、検出回路部３を設けている。センサセル４０ｓに接続される検出回路部３の構成は、ポンプセル４ｐに接続されるものと同様であり、図示を省略している。また、検出回路部３を含むセンサ制御部についても、同様であり、図示を省略している。センサ素子２は、以下に説明するように、モニタセル４ｍを有する構成としてもよいが、有しない構成とすることもできる。
　図１４に示すように、本形態において、センサ素子２は、複数の固体電解質層１１Ａ、１６を有する構成となっている。酸化物イオン導電性の第１固体電解質層１１Ａの両側には、被測定ガス室２２と基準ガス室２３とを有しており、基準ガス室２３には、第１基準ガスとして、例えば、大気が導入される。拡散抵抗層２１を介して排ガスが導入される被測定ガス室２２において、第１固体電解質層１１Ａの表面には、ポンプセル４ｐを形成するポンプ電極４１ｐと、モニタセル４ｍを形成するモニタ電極４１ｍが、配置されている。基準ガス室２３に面する第１固体電解質層１１Ａの表面には、ポンプ電極４１ｐ及びモニタ電極４１ｍに対向する第１基準電極４２Ａが配置されている。また、基準ガス室２３を形成する絶縁層１４には、ヒータ部５が積層されている。
　本形態において、センサ素子２は、実施形態１におけるＮＯｘ検出用のセンサセル４ｓに代えて、アンモニア検出用のセンサセル４０ｓを備えている。そのために、被測定ガス室２２の側面を形成する絶縁層１２に、実施形態１における遮蔽層１３に代えて、プロトン導電性の第２固体電解質層１６を積層した構成となっている。第２固体電解質層１６は、被測定ガス室２２の頂面となる一方の表面を、被測定ガスに接する測定面としており、特定ガスであるアンモニアを検出するためのセンサ電極４１０ｓを有している。また、第２固体電解質層１６のもう一方の表面を基準面として、第２基準ガスに接する第２基準電極４２０を有している。
　ここで、アンモニア検出用のセンサセル４０ｓにおける第２基準ガスは、第１基準ガス、例えば、ＮＯｘ検出時と同様の大気であってもよいし、排ガスのような被測定ガスと同種のガスであってもよい。本形態では、第２固体電解質層１６の基準面を外部に露出して、センサセル４０ｓの基準電極４２０が第２基準ガスとなる被測定ガスに晒される配置となっている。センサ素子２の外表面を覆って、実施形態１と同様の保護層１５を形成してもよいし、基準電極４２０の外側にさらに、被測定ガスが導入される基準ガス室を形成して。第２基準電極４２０が保護されるようにしてもよい。
　センサ電極４１０ｓは、モニタ電極４１ｍと対向して設けられ、ガス流れ方向において、センサ電極４１０ｓとモニタ電極４１ｍとが同等位置となるように配置される。基準電極４２０は、固体電解質層１６を挟んでセンサ電極４１０ｓと対向し、外部に露出する位置となっている。このように、センサ電極４１０ｓと基準電極４２０の両方が、同種のガス雰囲気に晒される場合には、雰囲気差によって電極間に発生し得る電位のシフトを抑制して、限界電流が生じる電位の誤差を抑制することができる。
　固体電解質層１６を構成するプロトン導電性の固体電解質は、ペロブスカイト型酸化物からなることが好ましい。ペロブスカイト型酸化物としては、特に限定されないが、例えば、ＹやＹｂ等の希土類元素をドープしたジルコン酸ストロンチウム、ジルコン酸カルシウム、ジルコン酸バリウム、セリウム酸ストロンチウム、セリウム酸カルシウム、セリウム酸バリウム等が挙げられる。固体電解質層１６は、これらのうちの少なくとも１種のペロブスカイト型酸化物を含有することができる。
　センサ電極４１０ｓは、Ｐｔ等の貴金属又は貴金属合金を含む多孔質サーメット電極であり、好適には、塩基性のアンモニアを吸着しやすくする酸性物質を含有することができる。酸性物質としては、例えば、リン酸塩、ピロリン酸塩等のリン酸系化合物が挙げられる。
　上記構成のガスセンサ１におけるガス濃度検出の基本原理について、説明する。
　本形態においても、ポンプセル４ｐによって、被測定ガス室２２に導入される排ガスが所定の低酸素濃度に調整された後、下流側のセンサセル４０ｓ及びモニタセル４ｍに到達する。モニタセル４ｍにおいては、排ガス中の残留酸素の分解による限界電流が流れることにより、残留酸素濃度をモニタすることができる。もしくは、両電極間の起電力を検出するようにしてもよい。そして、モニタセル４ｍの検出結果に基づいて、被測定ガス室２２内の酸素濃度を十分低く保つように、ポンプセル４ｐを制御することにより、センサセル４０ｓにおける残留酸素の影響を抑制することができる。
　一方、センサセル４０ｓにおいては、センサ電極４１０ｓに到達した排ガスに含まれるアンモニアの分解反応により、プロトン（Ｈ+）が生成する。反応式を、以下に示す。
２ＮＨ3→６Ｈ+＋６ｅ-
　生成したプロトンは、固体電解質層１６内を伝導して基準電極４２０に至り、基準電極４２０において酸素との反応によって水が生成する。反応式を、以下に示す。
６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
　センサセル４０ｓにおけるこれらの反応が円滑に進行する場合には、アンモニアの供給が拡散抵抗層２１によって制限されるため、アンモニアのセンサ電極４１０ｓへの拡散が律速反応となる。そのために、センサ電極４１０ｓと基準電極４２０との間に、排ガス中のアンモニア濃度に依存した限界電流が流れる。この限界電流に基づいて、アンモニア濃度を検出することができる。
　ここで、センサセル４０ｓは、アンモニア検出に適した作動温度以上で、かつ、ポンプセル４ｐ及びモニタセル４ｍに対して低い温度に制御されることが望ましい（例えば、４００℃～６００℃程度）。例えば、センサセル４０ｓは、３５０℃の条件において、センサ電極４１０ｓに到達する排ガス中の酸素濃度が３００ｐｐｍを超えると、固体電解質層１６を酸素の分解による電子を伝導するおそれがあることが確認されている。一方、ポンプセル４ｐ及びモニタセル４ｍにおいては、温度がより高くなることにより、酸素のイオン化が促進され、酸素の排出が進行しやすくなる。
　そのために、センサセル４０ｓは、センサ電極４１０ｓを、ポンプ電極４１ｐ及びモニタ電極４１ｍよりもヒータ部５から離れた配置としている。また、センサ電極４１０ｓが形成される固体電解質層１６が外部に露出しているので、温度の上昇が抑制させやすい。そして、ポンプセル４ｐとセンサセル４０ｓに、それぞれ検出回路部３を設けて、それぞれの温度を独立して制御可能としている。
　図１３において、ポンプセル４ｐに接続される検出回路部３の構成及び作動は、上記実施形態１と同様であり、交流電圧印加部３１と、ガス濃度情報として空燃比Ａ／Ｆを検出するガス濃度検出部３２と、温度情報としてポンプセル４ｐのセルインピーダンスＺａｃを検出するセル温度検出部３３とを有している。
　センサセル４０ｓに接続される検出回路部３においても、同様の交流電圧印加部３１と、ガス濃度検出部３２と、セル温度検出部３３とを有している。ガス濃度検出部３２は、ガス濃度情報としてアンモニア濃度を検出するものであり、セル温度検出部３３は、温度情報としてセンサセル４０ｓのセルインピーダンスＺａｃを検出するように構成される。
　このとき、ポンプセル４ｐ及びセンサセル４ｓに対して、個々に、ガス濃度と温度が検出されるので、各セルの検出結果に基づいて、それぞれ最適な温度となるように、ヒータ制御部５０を作動させることができる。その場合には、ヒータ部５のヒータ電極５２への通電によるセンサセル４ｓの温度状態を、実測値に基づいて制御することができるので、制御温度が所望の温度範囲から外れるのを抑制して、ガス濃度の検出をより精度よく行うことができる。
　本開示は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、上記実施形態において、ガスセンサ１は、車両エンジンの排ガスを被測定ガスとし、センサ素子２において排ガスに含まれる酸素、ＮＯｘ又はアンモニアを検出する構成としたが、排ガスに含まれるそれら以外のガスを検出するようにしてもよい。
　また、上記実施形態では、センサ素子２を３セル構造とし、その電気化学セル４の１つ又は２つについて、検出回路部３を設けた場合について例示したが、センサ素子２を１セル又は２セル構造としてもよいし、電気化学セル４の全てのセルに検出回路部３を接続した構成としてもよい。さらには、車両エンジンの排ガスに限らず、各種内燃機関の排ガスその他を被測定ガスとしてもよい。
　本開示は、実施形態に準拠して記述されたが、本開示は当該実施形態や構造に限定されるものではないと理解される。本開示は、様々な変形例や均等範囲内の変形をも包含する。加えて、様々な組み合わせや形態、さらには、それらに一要素のみ、それ以上、あるいはそれ以下、を含む他の組み合わせや形態をも、本開示の範疇や思想範囲に入るものである。

Claims (8)

  1. 　センサ素子（２）と、上記センサ素子の出力に基づいて、被測定ガス中の特定ガス成分を検出する検出回路部（３）と、を備えるガスセンサ（１）であって、
    　上記センサ素子は、拡散抵抗層（２１）を介して被測定ガスが導入される被測定ガス室（２２）と、固体電解質層（１１）の被測定ガスに接する表面及び基準ガスに接する表面に配設される一対の電極部（４１、４２）を有する電気化学セル（４）と、を備えており、
    　上記検出回路部は、
    　上記電気化学セルに交流電圧信号（ｓｉｎωｔ）を印加する交流電圧印加部（３１）と、
    　上記電気化学セルの出力信号（Ａｓｉｎωｔ＋Ｂ）に含まれる直流信号成分（Ｂ）から、上記特定ガス成分の濃度情報（Ａ／Ｆ）を検出するガス濃度検出部（３２）と、
    　上記電気化学セルの出力信号に含まれる交流信号成分（Ａｓｉｎωｔ）から、上記電気化学セルの温度情報（Ｚａｃ）を検出するセル温度検出部（３３）と、を備え、
    　上記セル温度検出部は、上記電気化学セルの出力信号から、上記交流信号成分を抽出する信号抽出部（３４）と、抽出された上記交流信号成分を、上記交流電圧信号を用いて同期検波する同期検波部（３５）と、を備える、ガスセンサ。
  2. 　上記ガス濃度検出部は、上記電気化学セルの出力信号を平均化処理して、上記直流信号成分を抽出する平均化処理部（３２１）を有し、
    　上記信号抽出部は、上記電気化学セルの出力信号から、抽出された上記直流信号成分を減算して、上記交流信号成分を抽出する減算処理部（３４１）を有し、
    　上記同期検波部は、抽出された上記交流信号成分と、印加された上記交流電圧信号とを乗算する乗算処理部（３５１）と、乗算処理後の信号のうち、印加された上記交流電圧信号の周波数よりも低周波数側の成分を通過させるフィルタ部（３５２）と、を有する、請求項１に記載のガスセンサ。
  3. 　上記交流電圧印加部は、上記交流電圧信号としての正弦波信号又は矩形波信号を生成する、交流電圧生成部（３１１）を備え、上記交流電圧信号を連続的に印加する、請求項１又は２に記載のガスセンサ。
  4. 　上記センサ素子は、複数の上記電気化学セルを備えており、
    　上記検出回路部は、１つ又は２つ以上の上記電気化学セルに対応して設けられる、請求項１～３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  5. 　上記センサ素子に内蔵されるヒータ部（５）の作動を制御するヒータ制御部（５０）を、さらに備えており、
    　上記ヒータ制御部は、１つ又は２つ以上の上記検出回路部に設けられる上記セル温度検出部の検出結果に基づいて、上記センサ素子の温度をフィードバック制御する、請求項４に記載のガスセンサ。
  6. 　上記センサ素子は、基準ガスが導入される基準ガス室（２３）を有し、
    　上記電気化学セルとして、
    　上記固体電解質層の上記被測定ガス室に面する表面において、上記拡散抵抗層に近接配置されるポンプ電極（４１ｐ）と、上記固体電解質層の上記基準ガス室に面する表面において、上記ポンプ電極と対向配設される基準電極（４２）と、を有するポンプセル（４ｐ）と、
    　上記固体電解質層の上記被測定ガス室に面する表面において、上記ポンプ電極の下流側に配置されるセンサ電極（４１ｓ）と、上記固体電解質層の上記基準ガス室に面する表面において、上記センサ電極と対向配設される基準電極（４２）と、を有するセンサセル（４ｓ）と、を備えており、
    　少なくとも上記ポンプセルに、上記検出回路部が設けられる、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  7. 　上記センサ素子は、第１基準ガスが導入される基準ガス室（２３）を有し、
    　上記電気化学セルとして、
    　上記固体電解質層となる第１固体電解質層（１１Ａ）の上記被測定ガス室に面する表面において、上記拡散抵抗層に近接配置されるポンプ電極（４１ｐ）と、上記第１固体電解質層の上記基準ガス室に面する表面において、上記ポンプ電極と対向配設される第１基準電極（４２Ａ）と、を有するポンプセル（４ｐ）と、
    　上記被測定ガス室となる空間部を挟んで上記第１固体電解質層と対向する第２固体電解質層（１６）と、上記第２固体電解質層の上記被測定ガス室に面する表面において、上記ポンプ電極の下流側に配置されるセンサ電極（４１０ｓ）と、上記第２固体電解質層の第２基準ガスに接する表面において、上記センサ電極と対向配設される第２基準電極（４２０）と、を有するセンサセル（４ｓ）と、を備えており、
    　上記ポンプセル及び上記センサセルの少なくとも一方に、上記検出回路部が設けられる、請求項１～５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
  8. 　上記第２基準ガスは、上記第１基準ガスと同種のガス又は上記被測定ガスと同種のガスである、請求項７に記載のガスセンサ。
PCT/JP2021/033660 2020-10-02 2021-09-14 ガスセンサ WO2022070875A1 (ja)

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