(57)【要約】【課題】  ガスセンサに接続される回路基板上の信号検出回路へのノイズの影響を低減し、ガス濃度の検出精度を向上させたセンサ制御用回路ユニットを提供する。【解決手段】  平行に向かい合う対辺７０ａ、７０ｂを有する回路基板７０であって、ＮＯｘ濃度に応じて変化するμＡ以下のレベルの検出信号が入力される信号検出回路２８、電源回路３５、ヒータを制御するヒータ回路４０のそれぞれが実装された回路基板７０を備えるセンサ制御用回路ユニット１であって、回路基板７０の対辺のうち一方の辺７０ａ側に電源回路３５とヒータ回路４０とが実装され、一方の辺と対向する対向辺７０ｂ側で、且つ、上記回路３５，４０の実装領域と異なる実装領域に信号検出回路２８が実装される。そして、少なくとも対向辺の周縁に沿う回路基板７０上であって、信号検出回路２８が実装された表面側に、グランド接続されたグランド導体２４ｘが連続して形成される。【選択図】  図３
2010164556.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定成分の濃度に応じて変化する検出信号を出力するガスセンサに接続されると共に、平行に向かい合う対辺を有する回路基板であって、前記検出信号が入力される信号検出回路、前記回路基板に実装された回路素子に対して駆動電圧を供給するための電源回路、前記センサを加熱するヒータを制御するヒータ回路のそれぞれが実装された回路基板と、
を備えるセンサ制御用回路ユニットであって、
前記回路基板上において、前記対辺のうち一方の辺側に前記電源回路と前記ヒータ回路とが実装され、前記一方の辺と対向する対向辺側で、且つ、前記電源回路及び前記ヒータ回路の実装領域と異なる実装領域に前記信号検出回路が実装され、
少なくとも前記対向辺の周縁に沿う前記回路基板上であって、前記信号検出回路が実装された表面側には、グランドに接続されたグランド導体が連続して形成されている
センサ制御用回路ユニット。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ制御用回路ユニットであって、
前記回路基板を厚み方向に沿って見たときに前記グランド導体と異なる位置に配置されるグランド層を少なくとも１つ以上備え、前記グランド導体は、前記回路基板を貫通する複数のビアを介して前記グランド層に電気的に接続されているセンサ制御用回路ユニット。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載のセンサ制御回路ユニットであって、
前記グランド導体は、前記対向辺の周縁と、前記対向辺の隣接辺のうち少なくとも１つの辺の周縁とに連続して形成されているセンサ制御用回路ユニット。
【請求項４】
請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のセンサ制御回路ユニットであって、
前記グランド導体は、前記回路基板の辺に向く外縁の全てが、前記回路基板の当該辺と離間してなるセンサ制御回路ユニット。
【請求項５】
請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のセンサ制御回路ユニットであって、
前記グランド導体の幅は、１ｍｍ以上であるセンサ制御回路ユニット。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のセンサ制御回路ユニットであって、
前記グランド導体の一部から、前記回路基板の前記表面の内側に向かってグランド延設部が延びており、前記グランド延設部の少なくとも一部が、前記表面のうち、前記電源回路と前記ヒータ回路の実装領域と、前記信号検出回路の実装領域とが最も近接する位置に介在しているセンサ制御回路ユニット。
【請求項７】
請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のセンサ制御回路ユニットであって、
前記ガスセンサは、固体電解質層に一対の電極を形成したセルを複数有すると共に、複数の前記セルを加熱するための前記ヒータを有しており、複数の前記セルの１つが前記特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度に応じて変化する前記検出信号を出力するＮＯｘセンサであり、前記信号検出回路は、前記検出信号を検出するセンサ制御用回路ユニット。
【請求項８】
請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のセンサ制御用回路ユニットと、特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を出力するガスセンサと、を接続してなるガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに接続されると共に、信号検出回路、電源回路及びヒータ回路のそれぞれが実装された回路基板を備えたセンサ制御用回路ユニット、及びセンサ制御用回路ユニットとガスセンサとを接続させたガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、排気ガス中のＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
ＮＯｘセンサは、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層に一対の電極を形成してなるセルを複数備えたガスセンサ素子を有し、このガスセンサ素子からの出力に基づいてＮＯｘの濃度検出を行っている。又、ガスセンサ素子は、固体電解質層を活性化するためのヒータを備えている。
【０００３】
ＮＯｘセンサは、固体電解質層に一対の電極を形成した第１ポンピングセル、酸素濃度検出セル、第２ポンピングセルの各々と、ヒータとを積層した構成を有している。そして、第１測定室内の酸素濃度を酸素濃度検出セルによって測定し、第１測定室内に導入された被測定ガス（排気ガス）が所定の酸素濃度になるよう第１ポンピングセルを通電制御する。すなわち、酸素濃度検出セルの出力が予め設定された値になるように、第１ポンピングセルに流す電流を制御し、測定対象ガスの酸素濃度を調整（制御）する。さらに、酸素濃度が制御された被測定ガスが第１測定室から第２測定室へ流入し、第２ポンピングセルに一定電圧を印加することによって被測定ガスに含まれるＮＯｘをＮ２とＯ２に分解し、この際、第２ポンピングセルの一対の電極間に流れる第２ポンプ電流を測定することにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。
【０００４】
このようなＮＯｘセンサにおいては、第１ポンピングセルに流す電流を調整したり、第２ポンピングセルの電極間電圧を一定電圧に制御したり、第２ポンプ電流を検出したり、ヒータの発熱量を調整するための通電を制御したりする各種制御回路が必要である。そして、通常、これらの回路を１つの回路基板上に実装したセンサ制御回路ユニットが用いられている。ところが、各種制御回路を１つの回路基板上に実装したセンサ制御回路ユニットにおいて、第２ポンプ電流を検出する信号検出回路に対し、ヒータの通電を制御するためのヒータ回路からノイズ（電磁場の影響）が侵入するという問題がある。例えば、ヒータ回路はヒータへの電流をオン、オフするため、ノイズが生じ易い。
【０００５】
そこで、ヒータ回路とＩｐ２セル（第２ポンピングセル）検出回路との間に、基準電位部を設けて両者を電気的に隔て、Ｉｐ２セル検出回路へのノイズの侵入を防止する技術が提案されている（特許文献１参照）。
また、センシング回路（上記Ｉｐ２セル検出回路に相当）のグランドパターンと、ヒータ駆動回路のグランドパターンとを、グランド端子を挟んで分離して設ける技術が提案されている（特許文献２参照）。この技術によれば、センシング回路における基準電位（グランド）の変動を防止し、基準電位が安定するので、ヒータ駆動回路からのノイズの影響を低減できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７１０２４号公報
【特許文献２】特開２００４−２１２２８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、複数の固体電解質層に一対の電極を形成したセルを複数有する構成のＮＯｘセンサにおいてはその構成が複雑であるため、ＮＯＸの濃度に応じてセル（第２ポンピングセル）に流れる検出信号の大きさはμＡ（アンペア）以下のレベルと微小であり、このようなＮＯＸセンサと接続されるセンサ制御回路ユニットのＩｐ２セル（第２ポンピングセル）検出回路のように、μＡ以下の微小な検出信号を検出する場合、ノイズをより一層低減し、ＮＯｘの検出精度を向上させることが要求される。また、ガス濃度に対応した検出信号を検出する信号検出回路へのノイズ対策としては、信号検出回路以外の回路（ヒータ回路等）からの電磁波ノイズの他、回路基板の外部からのノイズ（外部ノイズ）についても考慮する必要がある。
【０００８】
すなわち、本発明は、ガスセンサに接続される回路基板上の信号検出回路へのノイズの影響を低減し、特定ガス成分の濃度の検出精度を向上させたセンサ制御用回路ユニット及びガス検出装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のセンサ制御用回路ユニットは、特定成分の濃度に応じて変化する検出信号を出力するガスセンサに接続されると共に、平行に向かい合う対辺を有する回路基板であって、前記検出信号が入力される信号検出回路、前記回路基板に実装された回路素子に対して駆動電圧を供給するための電源回路、前記センサを加熱するヒータを制御するヒータ回路のそれぞれが実装された回路基板と、を備えるセンサ制御用回路ユニットであって、前記回路基板上において、前記対辺のうち一方の辺側に前記電源回路と前記ヒータ回路とが実装され、前記一方の辺と対向する対向辺側で、且つ、前記電源回路及び前記ヒータ回路の実装領域と異なる実装領域に前記信号検出回路が実装され、少なくとも前記対向辺の周縁に沿う前記回路基板上であって、前記信号検出回路が実装された表面側には、グランドに接続されたグランド導体が連続して形成されている。
【００１０】
このような構成によれば、回路基板の信号検出回路が実装される表面において、信号検出回路を外側からグランド導体で囲むことで、信号検出回路を電気的に遮蔽し、信号検出回路に流れる検出信号に外部ノイズの影響が及ぶのを低減できる。また、本発明のセンサ制御回路ユニットによれば、信号検出回路を、回路基板のうちで、一方の辺と対向する対向辺側で、且つ、電源回路及びヒータ回路の実装領域とは異なる実装領域に配置している。これにより、信号検出回路に流れる電流よりも比較的大きな電流を扱う電源回路及びヒータ回路が、信号検出回路に対して離間して配置されるため、電源回路及びヒータ回路に流れる電流によって生じる電磁波ノイズの影響が信号検出回路に及び難く、上記のグランド導体の設置効果と相俟って、信号検出回路へのノイズの影響を低減することが可能となる。従って、本発明では、信号検出回路へのノイズの影響を低減し、特定ガス成分の濃度の検出精度を向上させられる。
【００１１】
なお、信号検出回路は、回路基板の一表面に形成されるものに限られず、回路基板の向かい合う両表面（即ち、表裏面）に実装されていてもよいが、両表面に信号検出回路が形成される場合には、上記グランド導体も両表面に形成されるものとする。
【００１２】
さらに、本発明のセンサ制御用回路ユニットでは、前記回路基板を厚み方向に沿って見たときに前記グランド導体と異なる位置に配置されるグランド層を少なくとも１つ以上備え、前記グランド導体は、前記回路基板を貫通する複数のビアを介して前記グランド層に電気的に接続されていてもよい。
【００１３】
このような構成によれば、複数のビアを介し、グランド導体が１つ以上のグランド層に電気的に接続されているため、グランド導体による外部ノイズの遮蔽効果が増大する。なお、外部ノイズの遮蔽効果を良好に得る観点から、グランド層の総体積はグランド導体の総体積よりも大きいことが好ましい。また、本発明において、ビアとは回路基板を厚み方向に貫通する形態で形成される導体を指すものである。
【００１４】
さらに、上記のいずれかのセンサ制御用回路ユニットでは、前記グランド導体は、前記対向辺の周縁と、前記対向辺の隣接辺のうち少なくとも１つの辺の周縁とに連続して形成されていてもよい。
このような構成によれば、信号検出回路を外側からより確実にグランド導体で囲むことができ、電気的な遮蔽効果が大きくなり外部ノイズの影響がさらに低減する。
【００１５】
さらに、上記のいずれかのセンサ制御用回路ユニットでは、前記グランド導体は、前記回路基板の辺に向く外縁の全てが、前記回路基板の当該辺と離間してなるとよい。
【００１６】
このような構成によれば、回路基板をユニットの製造過程で搬送しているときや、この回路基板を筐体内に収容するときなどに、回路基板の辺に外部から衝撃が加わった場合にもグランド導体に損傷が生じるのを確実に抑制することができる。とりわけ、グランド導体の外縁に損傷が生じ、大きな凹凸が形成されると、その凹凸に集中して外部ノイズが重畳し易く、電気遮蔽の機能が損なわれるため、グランド導体の上記外縁を当該回路基板の辺から離間させる構成の意義は大きい。
【００１７】
さらに、上記のいずれかのセンサ制御用回路ユニットでは、前記グランド導体の幅は、１ｍｍ以上であるとよい。
このような構成によれば、グランド導体による外部ノイズの電気的な遮蔽効果を有効に引き出すことができ、信号検出回路への外部ノイズの影響が一層低減する。
【００１８】
さらに、上記のいずれかのセンサ制御回路ユニットでは、前記グランド導体の一部から、前記回路基板の前記表面の内側に向かってグランド延設部が延びており、前記グランド延設部の少なくとも一部が、前記表面のうち、前記電源回路と前記ヒータ回路の実装領域と、前記信号検出回路の実装領域とが最も近接する位置に介在しているとよい。
このような構成によれば、電源回路３５及びヒータ回路４０の実装領域から、Ｉｐ２検出回路２８の実装領域に対し、両実装領域の最も近接する部位を通じてノイズの影響が及ぶのを、グランド延設部によって抑えることができる。
【００１９】
さらに、上記のいずれかのセンサ制御用回路ユニットでは、前記ガスセンサは、固体電解質層に一対の電極を形成したセルを複数有すると共に、複数の前記セルを加熱するための前記ヒータを有しており、複数の前記セルの１つが前記特定ガス成分としてのＮＯｘの濃度に応じて変化する前記検出信号を出力するＮＯｘセンサであり、前記信号検出回路は、前記検出信号を検出するものであってもよい。
【００２０】
複数のセルから構成されるＮＯｘセンサでは、その構成が複雑であるため、ＮＯｘの濃度に応じてセルに流れる検出信号の大きさがμＡ以下のレベルと微小となり、信号検出回路に入力される検出信号も微小となる。このようなＮＯｘセンサに適用されるセンサ制御用回路ユニットとして本発明のユニットを適用することで、信号検出回路に対する外部ノイズの影響が低減されることから、μＡ以下のレベルの検出信号が外部ノイズの影響を受けるのを有効に防止することができる。従って、信号検出回路に流れる検出信号を用いてのＮＯｘの濃度の検出精度を高めることが可能となる。
【００２１】
本発明のガス検出装置は、前記センサ制御用回路ユニットと、特定ガスの濃度に応じて変化する検出信号を出力するセンサとを備えている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、センサに接続される回路基板上の信号検出回路へのノイズの影響を低減し、ガス濃度の検出精度を向上させることができるセンサ制御用回路ユニット及びガス検出装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】ＮＯｘセンサ素子の長手方向に沿う断面図である。
【図２】本第１発明の実施形態に係るコントローラの構成を示すブロック図である。
【図３】コントローラの詳細な回路構成を示す図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。
【図５】コントローラの詳細な回路構成を示す別の図である。
【図６】コントローラの筐体を含めた構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について説明する。
まず、本発明の実施形態に係るセンサ制御用回路ユニット（以下、「コントローラ」ともいう）に接続されて制御されるガスセンサ（ＮＯｘセンサ）について説明する。なお、コントローラと接続されるＮＯｘセンサは、ＮＯｘセンサ素子１０、同素子１０を収容するハウジング、同素子１０と接続されるリード線を含むものであるが、センサ自体の構成は公知であるため、以下ではＮＯｘセンサ素子１０について、長手方向に沿う断面図１を参照して説明する。
【００２５】
図１において、ＮＯｘセンサ素子１０は、第１固体電解質層１１ａ、絶縁層１４ａ、第２固体電解質層１２ａ、絶縁層１４ｂ、第３固体電解質層１３ａ、及び絶縁層１４ｃ、１４ｄをこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１ａと第２固体電解質層１２ａとの層間に第１測定室１６が画成され、第１測定室１６の左端（入口）に配置された多孔質状の第１拡散抵抗体１５ａを介して外部から被測定ガスＧＭが導入される。
第１測定室１６のうち入口と反対端には多孔質状の第２拡散抵抗体１５ｂが配置され、第２拡散抵抗体１５ｂを介して第１測定室１６の右側には、第１測定室１６と連通する第２測定室１８が画成されている。第２測定室１８は、第２固体電解質層１２ａを貫通して第１固体電解質層１１ａと第３固体電解質層１３ａとの層間に形成されている。
【００２６】
絶縁層１４ｃ、１４ｄの間にはＮＯｘセンサ素子１０の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ５０が埋設されている。ヒータ５０はセンサを活性温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。
絶縁層１４ａ〜１４ｄはアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５ａ及び第２拡散抵抗体１５ｂはアルミナからなる。又、ヒータ５０は白金等からなる。
【００２７】
第１ポンピングセル１１は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１ａと、これを挟持するように配置された内側第１ポンプ電極１１ｃ及び対極となる外側第１電極１１ｂとを備え、内側第１ポンプ電極１１ｃは第１測定室１６に面している。内側第１ポンプ電極１１ｃ及び外側第１ポンプ電極１１ｂはいずれも白金を主体とし、各電極１１ｂ，１１ｃの表面は多孔質体からなる保護層１１ｅ，１１ｄでそれぞれ覆われている。
なお、内側第１ポンプ電極１１ｃは、コントローラを構成する後述の回路基板７０のセンサ端子部２９ａに接続され、外側第１ポンプ電極１１ｂは回路基板７０のセンサ端子部２９ｃに接続されている（図２、図３参照）。
【００２８】
酸素濃度検出セル１２は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２ａと、これを挟持するように配置された検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃとを備え、検知電極１２ｂは内側第１ポンプ電極１１ｃより下流側で第１測定室１６に面している。検知電極１２ｂ及び基準電極１２ｃはいずれも白金を主体とし、それぞれコントローラを構成する回路基板７０のセンサ端子部２９ａ、２９ｂに接続されている（図２、図３参照）。
なお、絶縁層１４ｂは、第２固体電解質層１２ａに接する基準電極１２ｃが内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部にはアルミナからなる多孔質体１９が充填されて基準酸素室１７を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２には、後述するＩｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０を用いて予め微弱な一定値の電流を流すことにより、酸素を第１測定室１６から基準酸素室１７内に送り込み、酸素基準雰囲気とする。
【００２９】
第２ポンピングセル１３は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３ａと、第３固体電解質層１３ａのうち第２測定室１８に面した表面に配置された内側第２ポンプ電極１３ｂ及び対極となる第２ポンプ対電極１３ｃとを備えている。内側第２ポンプ電極１３ｂ及び第２ポンプ対電極１３ｃはいずれも白金を主体とし、内側第２ポンプ電極１３ｂがコントローラを構成する回路基板７０のセンサ端子部２９ａに接続され、第２ポンプ対電極１３ｃが回路基板７０のセンサ端子部２９ｄに接続されている（図２、図３参照）。
なお、第２ポンプ対電極１３ｃは、第３固体電解質層１３ａ上における絶縁層１４ｂの切り抜き部に配置され、基準電極１２ｃに対向して基準酸素室１７に面している。
【００３０】
一方、ヒータ５０の両端子は、それぞれコントローラを構成する回路基板７０のセンサ端子部４２ｅ、４２ｆに接続されている（図２、図３参照）。
【００３１】
次に、本発明の実施形態に係るセンサ制御用回路ユニット（コントローラ）１の構成について説明する。コントローラ１は、ＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子１０）に接続され、全体としてガス検出装置１００を構成し、ガス検出装置は図示しない内燃機関（以下、エンジンともいう）を備える車両に搭載されている。なお、このコントローラ１は、図６に示すように、後述する回路基板７０を内側に収容する樹脂製の筐体９０と、この筐体９０を内側に保持した車両取り付け用の金属カバー９２とから構成される。樹脂製の筐体９０には、ＮＯｘセンサのリード線に設けられたコネクタと接続されるセンサ用コネクタ９４が形成され、このセンサ用コネクタ９４を介して、筐体９２内に収容された回路基板の各センサ端子部２９ａ〜２９ｄ，４２ｅ，４２ｆとＮＯｘセンサ素子１０とが上述した接続形態で電気的に接続される。また、この筐体９０には、回路基板７０と車両側のエンジン制御装置（以下、ＥＣＵという）６０及び外部電源２００（図２参照）とを電気的に接続するための信号線９６及び図示しない外部装置用コネクタとが設けられている。
【００３２】
コントローラ１は、図２のブロック図に示すように、ＥＣＵ端子部３１及びセンサ端子部３２を備え、センサ端子部３２には、上述したセンサ端子部２９ａ〜２９ｄ，４２ｅ，４２ｆが配置されている。ＥＣＵ端子部３１はＥＣＵ６０及び外部電源（例えば、バッテリー）２００に電気的に接続されるものであり、具体的には、ＣＡＮ回路２６と接続されて、マイクロコンピュータ（マイコン）２１にて算出されたＮＯｘの濃度信号（検出信号をＮＯｘ濃度に換算した信号に相当）等をＥＣＵ６０に出力するための外部接続端子３１ａ，３１ｂと、外部電源２００と電気的に接続され、電源回路３５と接続される外部接続端子３１ｅと、外部電源のグランドに電気的に接続され、センサ端子部４２ｆと接続される外部接続端子３１ｄと、ＥＣＵ６０のグランドに電気的に接続され、マイクロコンピュータ２１を含めた各回路２０，２６，２８，３５及び後述するグランド導体２４ｘ，２４ｙに接続される外部接続端子３１ｃと、が配置されている。なお、各回路の構成については、後述する。ＥＣＵ６０は濃度信号に基づいて排気ガス中のＮＯｘ濃度を演算し、エンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化、触媒の異常検出などの処理を実行する。つまり、コントローラ１は、ＮＯｘセンサ素子１０に対する通電制御を行うとともに、ＮＯｘ濃度信号を含めた各種信号をＥＣＵ６０と送受信する。
【００３３】
なお、外部接続端子３１ｃは、後述する第１グランド層２５ａに電気的に接続されている。一方、外部接続端子３１ｄは、第１グランド層２５ａと異なる層をなす、後述する第２グランド層２５ｂに電気的に接続されるとともに、センサ端子部４２ｆにも電気的に接続されている。すなわち、外部接続端子３１ｃに接続される各回路２０，２１，２６，２８，３５は、信号系のグランドである第１グランド層２５ａを介して電気的に接続され、外部接続端子３１ｄに接続されるセンサ端子部４２ｆは、外部電源系のグランドである第２グランド層２５ｂを介して電気的に接続される。
【００３４】
コントローラ１を構成する回路基板７０には、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０、マイクロコンピュータ（以下、マイコン又はＭＣという）２１、ＣＡＮ回路（車両のネットワークとのインターフェース）２６、Ｉｐ２検出回路２８、電源回路３５、ヒータ回路４０、が実装されている。
【００３５】
ＭＣ２１はコントローラ１全体を制御し、図示しないＣＰＵ（中央演算処理装置）、ＲＯＭ、ＲＡＭを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
電源回路３５は、外部電源２００から供給される電力を、コントローラ１を構成する各回路（各回路素子）にて使用される適切な電圧に変圧し、駆動電圧としてこれらの各回路素子に供給する。
ヒータ回路４０は、ＭＣ２１から受けたＰＷＭ信号に応じてヒータ５０への通電のオン、オフ制御を行い、ＰＷＭ変調した電力をヒータ５０に対して供給する。つまり、ヒータ回路４０は、外部電源２００の電源電圧をＰＷＭ変調した電力をヒータ５０に供給する。この結果、ヒータ５０はコントローラ１を活性化温度（例えば７５０℃）まで加熱し、各セル１１〜１３が固体電解質として機能する適切な温度に維持する。
【００３６】
Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０は、酸素濃度検出セル１２の両端電圧Ｖｓが予め設定された一定電圧（例えば４２５ｍＶ）となるように、第１ポンピングセル１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御する。つまり、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０は、コントローラ１からの指令を受けて、ＮＯｘセンサ素子１０の第１測定室１６内の酸素濃度が一定になるように、第１ポンピングセル１１に流す電流の向き及び大きさを制御する。
【００３７】
Ｉｐ２検出回路２８は、コントローラ１からの指令を受けて、第２ポンピングセル１３に対して、予め定められた第２ポンプ電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加する。また、Ｉｐ２検出回路２８は、このときに第２ポンピングセル１３に流れるＮＯｘ濃度を示す電流値を検出信号として検出し、この検出信号（詳細には、電流を電圧に変換した信号）をコントローラ１に送る。Ｉｐ２セル検出回路２８が特許請求の範囲の「信号検出回路」に相当する。
【００３８】
次に、ＮＯｘセンサ素子１０及びコントローラ１の動作の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電源回路３５が電力の供給を受けると、マイコン２１が起動し、まず、ヒータ回路４０を介してヒータ５０が作動し、第１ポンピングセル１１、酸素濃度検出セル１２、第２ポンピングセル１３を活性化温度まで加熱する。また、マイコン２１は、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０を駆動して、酸素濃度検出セル１２に一定値の電流を供給し、第１測定室１６から基準酸素室１７内に酸素を汲み入れる処理を行い、基準酸素室１７を酸素基準雰囲気にする。
【００３９】
そして、各セル１１〜１３が活性化温度まで加熱されると、マイコン２１からの指令に基づき全てのセル１１，１２，１３を含めたＮＯｘセンサ素子１０の駆動制御が各回路を用いて実行される。第１ポンピングセル１１は、第１測定室１６に流入した被測定ガス（排ガス）ＧＭ中の酸素を第１測定室１６から外部へ向かって汲み出したり、酸素を外部から第１測定室１６内に汲み入れたりして、第１測定室１６に導入された排ガスＧＭの酸素濃度を調整する。
このとき、第１測定室１６内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１２の電極間電圧（両端電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０は、この電極間電圧Ｖｓが一定電圧Ｖ１（例えば４２５ｍＶ）になるように第１ポンピングセル１１に流れる第１ポンプ電流Ｉｐ１を制御する。
【００４０】
酸素濃度が調整されたガスＧＮは第２測定室１８に向かってさらに流れる。そして、Ｉｐ２セル検出回路２８を用いて、第２ポンピングセル１３の電極間電圧（両端電圧）Ｖｐとして、ガスＧＮ中のＮＯｘガスが酸素とＮ２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖ２（例えば４５０ｍＶ）を印加することにより、ＮＯｘが窒素と酸素に分解される。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１８から汲み出されるように、第２ポンピングセル１３に第２ポンプ電流Ｉｐ２が流れることになる。この際、第２ポンプ電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には略直線関係があるため、Ｉｐ２検出回路２８を用いて第２ポンプ電流Ｉｐ２を検出信号として検出することにより、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００４１】
次に、図３、図４を参照して、コントローラ１を構成する回路基板７０の詳細な構成について説明する。
図３は、回路基板７０の表側の回路配置の概略を示す平面図である。回路基板７０の表側７０ｘには、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０、マイコン２１、ＣＡＮ回路２６、Ｉｐ２検出回路２８、電源回路３５、センサ端子部３２、ＥＣＵ端子部３１が、それぞれ実装されている。なお、図３では、各回路２０，２６，２８，３５、マイコン２１を実線にて囲って示しているが、この実線による囲いは、各回路２０，２６，２８，３５、マイコン２１を構成する電子部品の実装領域を指すものであり、具体的な電子部品及び配線の図示については省略している。
【００４２】
回路基板７０は、自身の厚み方向に沿って平面視したときに矩形状をなしており、この矩形状の回路基板７０は、平行に向かい合い縦に延びる対辺７０ａ，７０ｂを有し、このうち右対辺７０ａ側に電源回路３５が実装されている。一方、左対辺７０ａ側にＩｐ２検出回路２８が実装されている。
ここで、「右対辺７０ａ側に電源回路３５が実装されている」とは、各対辺７０ａ，７０ｂから見たとき、電源回路３５に最も近い方の対辺をいう。例えば、電源回路３５は右対辺７０ａと距離Ｌ１だけ離間し、左対辺７０ｂと距離Ｌ２だけ離間しているが、Ｌ１＜Ｌ２であるので、電源回路３５は右対辺７０ａ側に実装されていることになる。
同様な理由により、Ｉｐ２検出回路２８は左対辺７０ａ側に実装されていることになる。
【００４３】
なお、Ｉｐ２検出回路２８は左対辺７０ａ側で、かつ上辺７０ｃに寄って配置され、電源回路３５は回路基板７０の右側半分の領域のほとんどを占めている。又、マイコン２１は、Ｉｐ２検出回路２８より下側で、回路基板７０のほぼ中央に配置され、Ｉｐ１セル／Ｖｓセル制御回路２０はＩｐ２検出回路２８より下側で回路基板７０の左寄りに配置されている。
センサ端子部３２は下辺７０ｄの左寄りに配置され、ＥＣＵ端子部３１は下辺７０ｄの右寄りに配置されている。ＣＡＮ回路２６は、右対辺７０ａに隣接して配置されている。
【００４４】
さらに、左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃの周縁に沿う回路基板７０の表側７０ｘ（Ｉｐ２検出回路２８が実装された側）の表面には、グランド導体２４ｘが連続してＬ字形に形成されている。
グランド導体２４ｘはグランド接続（即ち、Ｉｐ２検出回路における基準電位を設定するグランド電位に接続）されており、より詳しくは、左対辺７０ｂの周縁に沿う第１導体２４ａと、左対辺７０ｂに隣接する上辺７０ｃの周縁に沿う第２導体２４ｂとからなる。また、第１導体２４ａ及び第２導体２４ｂの幅（左対辺７０ａ及び上辺７０ｃと垂直な方向の幅）は１ｍｍ以上になっている。ここで、第１導体２４ａ及び第２導体２４ｂのうち、最も狭い幅Ｗが１ｍｍ以上である。
【００４５】
なお、「グランド導体が連続して形成されている」とは、必ずしも左対辺７０ｂ（又は上辺７０ｃ）の周縁の全部にグランド導体２４ｘが形成されていなくてもよく、左対辺７０ｂ（又は上辺７０ｃ）の周縁のうち、少なくともＩｐ２検出回路２８が形成されている部分以上の長さにわたって、グランド導体２４ｘが連なって形成されていればよい。
グランド導体２４ｘは、例えば銅のエッチングパターンで形成することができる。
【００４６】
このように、回路基板７０上において、Ｉｐ２検出回路２８（信号検出回路）を外側からグランド導体２４ｘで囲むことで、μＡ以下のレベルの微小電流を検出するＩｐ２検出回路２８を電気的に遮蔽し、Ｉｐ２検出回路２８に流れる検出信号に外部ノイズの影響が及ぶのを低減できる。なお、グランド導体２４ｘ及び後述するグランド導体２４ｙは、電気遮蔽の効果を確保するため、それら導体２４ｘ，２４ｙの最も狭い幅が１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００４７】
また、Ｉｐ２検出回路２８を、回路基板７０のうちで、右対辺７０ａ（一方の辺）と対向する左対辺７０ａ（対向辺）側で、且つ、電源回路３５及びヒータ回路４０の実装領域とは異なる実装領域に配置している。これにより、Ｉｐ２検出回路２８に流れる電流よりも比較的大きな電流を扱う電源回路３５及びヒータ回路４０が、Ｉｐ２検出回路２８に対して離間して配置されるため、電源回路３５及びヒータ回路４０に流れる電流によって生じる電磁波ノイズの影響がＩｐ２検出回路２８に及び難く、上記のグランド導体２４ｘの設置効果と相俟って、Ｉｐ２検出回路２８へのノイズの影響を低減することが可能となる。
【００４８】
また、グランド導体２４ｘには、回路基板７０を貫通する複数のビア２４ｖが形成されている。
図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線に沿う断面図である。回路基板７０は多層基板であり、回路基板７０の厚み方向の異なる位置に上記した第１グランド層２５ａ及び第２グランド層２５ｂが所定の絶縁層を介して埋設され、第１グランド層２５ａが第２グランド層２５ｂより回路基板７０の表側７０ｘに近く位置している。そして、複数のビア２４ｖが回路基板７０の表裏を貫通し、グランド導体２４ｘ，２４ｙを電気的に接続すると共に、ビア２４ｖは第１グランド層２５ａとも電気的に接続している。
このように、複数のビア２４ｖを介し、グランド導体２４ｘ，２４ｙが第１グランド層２５ａに電気的に接続されているため、グランド導体による外部ノイズの遮蔽効果が増大する。なお、外部ノイズの遮蔽効果を良好に得る観点から、グランド層の総体積はグランド導体の総体積よりも大きいことが好ましい。なお、第１グランド層２５ａが特許請求の範囲の「グランド層」に相当する。又、ビア２４ｖは例えば直径０．４ｍｍ程度とすることができる。
【００４９】
そして、既に述べたように、第１グランド層２５ａは外部接続端子３１ｃに接続されている。これにより、各回路（ＭＣ２１、Ｉｐ２検出回路２８等）が、回路基板７０の表面の配線や回路基板７０を貫通する導体（ビア）を介して信号系のグランドである第１グランド層２５ａに接続され、外部接続端子３１ｃと電気的に接続されることになる。例えば、Ｉｐ２検出回路２８は、導体２８ｖを介して第１グランド層２５ａに接続されている。なお、図４には図示していないが、電源回路３５も図４に示す視野とは異なる位置において、導体を介して第１グランド層２５ａと接続されている。
【００５０】
一方、第２グランド層２５ｂは、グランド導体２４ｘ、２４ｙやビア２４ｖに接続されておらず、単独で外部電源系のグランドをなしている。そして、既に述べたように、第２グランド層２５ｂは外部接続端子３１ｄに接続されている。これにより、図示はしないが、ヒータ５０の一端に接続されるセンサ端子部４２ｆが、回路基板７０の表面の配線や回路基板７０を貫通する導体（ビア）を介して外部電源系のグランドである第２グランド層２５ｂに接続され、外部接続端子３１ｄと電気的に接続されることになる。
【００５１】
図５は、回路基板７０の裏側７０ｙから見た回路配置の概略を示す平面図である。回路基板７０の裏側７０ｙには、ＣＡＮ回路２６、Ｉｐ２検出回路２８、電源回路３５、ヒータ回路４０が実装されている。なお、この図４に示す回路基板７０の裏側７０ｙは、図３に示す回路基板７０を、右対辺７０ａを基準にして裏返したときの平面図であり、図５においては、図３の右対辺７０ａが左側に位置する。また、図５においても、各回路２６，２８，３５，４０を実線にて囲って示しているが、この実線による囲いは、各回路２６，２８，３５，４０を構成する電子部品の実装領域を指すものであり、具体的な電子部品及び配線の図示については省略している。
【００５２】
図５に示すように、電源回路３５は、回路基板７０の左側（右対辺７０ａ側）の１／３程度の領域を占めている。又、ヒータ回路４０は回路基板７０の中心よりやや下辺７０ｄ側に位置している。
一方、左対辺７０ｂ側にＩｐ２検出回路２８が実装され、左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃの周縁に沿う回路基板７０の裏側７０ｙには、グランド導体２４ｙが連続して逆Ｌ字形に形成されている。なお、この実施形態では、Ｉｐ２検出回路２８が回路基板７０の表裏（両面）にそれぞれ実装されているため、グランド導体２４ｘ，２４ｙも回路基板７０の両面にそれぞれ形成されている。なお、Ｉｐ２検出回路２８が回路基板７０の片面にのみ実装される場合には、グランド導体もＩｐ２検出回路２８が実装された側にのみ形成されていればよい。
【００５３】
ヒータ回路４０も右対辺７０ａ側に実装されている。つまり、ヒータ回路４０は右対辺７０ａと距離Ｌ３だけ離間し、左対辺７０ｂと距離Ｌ４だけ離間しているが、Ｌ３＜Ｌ４の関係にある。
【００５４】
ここで、本実施形態では、Ｉｐ２検出回路２８に比して比較的大きな電流が流れることに起因してノイズ（電磁波ノイズ）を発生しやすい電源回路３５とヒータ回路４０を右対辺７０ａ側に配置し、Ｉｐ２検出回路２８を左対辺７０ｂ側に配置するようにして、電源回路３５とヒータ回路４０の実装領域と異なる実装領域にＩｐ２検出回路２８を配置させているので、電源回路３５とヒータ回路４０に起因するノイズのＩｐ２検出回路２８への影響を低減することができる。
【００５５】
また、本実施形態では、図３及び図５に示すように、グランド導体２４ｘ，２４ｙは、回路基板７０の辺（左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃ）に向く外縁（図４の記号Ｓｉに相当する部位）が、これらの左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃから離間するように、回路基板７０上に形成されている。このような構成とすることで、回路基板７０をユニットの製造過程で搬送しているときや、この回路基板７０を筐体９０内に収容するときなどに、回路基板７０の辺に外部から衝撃が加わった場合にもグランド導体２４ｘ，２４ｙの外縁に損傷が生じるのを確実に抑制することができる。とりわけ、グランド導体２４ｘ，２４ｙの少なくともいずれかの外縁に損傷が生じ、大きな凹凸が形成されることがあると、その凹凸に集中して外部ノイズが重畳することになり、電気遮蔽の機能が損なわれてしまう。そのため、グランド導体２４ｘ，２４ｙの外縁を回路基板７０の辺（左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃ）から離間させる構成の意義は大きい。
【００５６】
さらに、本実施形態では、回路基板７０の表側７０ｘと裏側７０ｙとを見比べたときに、電源回路３５とヒータ回路４０の実装領域と、Ｉｐ２検出回路２８の実装領域とが最も近接する位置が、回路基板７０の表側７０ｘに存在している（図３のＬ５で示す部位）。本実施形態では、上記の２つの実装領域が異なる領域に配置されるため、電源回路３５とヒータ回路４０に起因するノイズのＩｐ２検出回路２８への影響は低減されているものの、２つの実装領域が最も近接する位置では、ノイズの影響が及ぶ可能性が僅かであるが生ずることがある。
【００５７】
そこで、本実施形態では、図３に示すように、グランド導体２４ｘの一部から、回路基板７０の表面の内側に向かって延びるグランド延設部２４ｚを形成し、このグランド延設部２４ｚの一部を、電源回路３５とヒータ回路４０の実装領域（本実施形態では、電源回路３５の実装領域となる）と、Ｉｐ２検出回路２８の実装領域とが最も近接する位置に介在させている。これにより、電源回路３５とヒータ回路４０の実装領域（本実施形態では、電源回路３５の実装領域となる）から、Ｉｐ２検出回路２８の実装領域に対してノイズの影響が及ぶのをより確実に抑えることができる。
【００５８】
本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記した回路基板７０の左対辺７０ｂ及び上辺７０ｃの周縁に加え、下辺７０ｄの周縁に沿ってグランド導体を連続してコ字形に形成してもよい。但し、ノイズ発生源となる電源回路３５やヒータ回路４０に近い側（上記例では、右対辺７０ａや、回路基板７０の裏側７０ｙにおける下辺７０ｄ）の辺の周縁には、グランド導体を設けない方がよい。これは、電源回路３５やヒータ回路４０からのノイズ（電磁波ノイズ）をグランド導体で拾う可能性があるからである。
【００５９】
また、上記実施形態では、ＮＯｘセンサ素子を構成する固体電解質層を３層としたが、固体電解質層を２層としてもよい。固体電解質層が２層であるＮＯｘセンサ素子構造は、例えば特開平９−２８８０８５号公報（図２）に記載されている。
【００６０】
本発明は、自動車や各種内燃機関の排ガス中や、ボイラ等の燃焼ガス中のＮＯｘガス濃度検出用のガスセンサに適用することができるが、これらの用途に限られない。例えば、ＮＯｘ以外のガス（例えばＣＯｘやＨ2Ｏ、ＨＣなど）の濃度を測定するためのガスセンサ素子を有するガスセンサに対して適用することもできる。
【符号の説明】
【００６１】
１                          センサ制御用回路ユニット（コントローラ）
１０                        センサ（ＮＯｘセンサ素子）
１１                        第１ポンピングセル
１２                        酸素濃度検出セル
１３                        第２ポンピングセル
２４ｘ，２４ｙ              グランド導体
２４ｖ                      ビア
２４ｚ                      グランド延設部
２５ａ                        第１グランド層（グランド層）
２８                          信号検出回路（Ｉｐ２検出回路）
３５                          電源回路
４０                          ヒータ回路
７０                          回路基板
７０ａ                        対辺（一方の辺）
７０ｂ                        対辺（対向辺）
７０ｃ，７０ｄ                対向辺の隣接辺
７０ｘ                        回路基板の表側
７０ｙ                        回路基板の裏側
９０                          筐体
１００                        ガス検出装置
【図１】
2010164556.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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