(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、
前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、
前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、
前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを有し、
さらに、前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、
前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、
前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、
前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段とを有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記制御電圧調整手段は、前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を有し、該比較手段にて得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のうち、いずれか１項記載のガスセンサにおいて、
前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、
前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に前記制御電圧を印加するためのポンプ電源を有するガスポンプ手段と、
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、
前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極とを有するガスセンサの制御方法において、
前記ガスセンサは、
前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、
前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、
前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、
前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段とを有し、
前記ガスポンプ手段における前記内側電極と前記基準電極との両端電圧を測定し、その電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整することを特徴とするガスセンサの制御方法。
【請求項６】
請求項５記載のガスセンサの制御方法において、
前記制御電圧の調整は、前記起電圧と比較電圧との偏差をとり、得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整することを特徴とするガスセンサの制御方法。
【請求項７】
請求項６記載のガスセンサの制御方法において、
前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整することを特徴とするガスセンサの制御方法。
【請求項８】
請求項５〜７のうち、いずれか１項記載のガスセンサの制御方法において、
前記ガスセンサは、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部が設けられていることを特徴とするガスセンサの制御方法。
【請求項９】
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、
前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部と、
前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、
固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、
前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、
前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを有し、
さらに、前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、
前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、
前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、
前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段とを有することを特徴とするガス濃度制御器。
【請求項１０】
請求項９記載のガス濃度制御器において、
前記制御電圧調整手段は、前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を有し、該比較手段にて得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整することを特徴とするガス濃度制御器。
【請求項１１】
請求項１０記載のガス濃度制御器において、
前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を有することを特徴とするガス濃度制御器。
【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、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等の酸化物や、ＣＯ，ＣｎＨｍ等の可燃ガスを測定するガスセンサとその制御方法及びガス濃度制御器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、ガソリン車やディーゼルエンジン車等の車両から排出される排気ガス中には、一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ2 ）等の窒素酸化物（ＮＯｘ）や、一酸化炭素（ＣＯ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）、炭化水素（ＨＣ）、水素（Ｈ2 ）、酸素（Ｏ2 ）等が含まれている。この場合、ＮＯはＮＯｘ全体の約８０％を占め、また、ＮＯとＮＯ2 とでＮＯｘ全体の約９５％を占めている。
【０００３】
このような排気ガス中に含まれるＨＣ、ＣＯ、ＮＯｘを浄化する三元触媒は、理論空燃比（Ａ／Ｆ＝１４．６）近傍で最大の浄化効率を示し、Ａ／Ｆを１６以上に制御した場合には、ＮＯｘの発生量は減るが、触媒の浄化効率が低下し、結果的に、ＮＯｘの排出量が増える傾向がある。
【０００４】
ところで、最近では、化石燃料の有効利用、地球温暖化防止のためにＣＯ2 の排出量の抑制等の市場要求が増大しており、これに対応するために燃費を向上させる必要性が高まりつつある。このような要求に対して、例えば、リーン・バーン・エンジンの研究や、ＮＯｘ浄化触媒の研究等が行われており、その中でもＮＯｘセンサのニーズが高まっている。
【０００５】
従来、このようなＮＯｘを検出する装置として、ＮＯｘ分析計がある。このＮＯｘ分析計は、化学発光分析法を用いてＮＯｘ固有の特性を測定するものであるが、装置自体が極めて大がかりであり、高価であるという不都合がある。
【０００６】
また、ＮＯｘを検出するために光学系部品を用いているため、煩雑なメンテナンスが必要である。更に、このＮＯｘ分析計は、ＮＯｘをサンプリングして測定するものであり、検出素子自体を流体内に直接挿入することができず、自動車の排気ガスのように、状況が頻繁に変動する過渡現象の分析には不向きである。
【０００７】
そこで、これらの不都合を解消するものとして、酸素イオン伝導性固体電解質からなる基体を用いて排気ガス中の所望のガス成分を測定するようにしたセンサが提案されている。
【０００８】
その提案例に係るガスセンサとしては、図１２に示すような全領域酸素センサがある。また、結合酸素をもつガス（例えばＮＯｘ）を測定するにあたり、ガス中の酸素濃度を酸素ポンプにより一定の低いレベルに下げた後、次いで酸素濃度を更に低下させ、ＮＯｘを分解し、分解時に発生した酸素を酸素ポンプにより測定することにより、ＮＯｘを測定するガスセンサも知られている。
【０００９】
例えば図１２のガスセンサについて説明すると、該ガスセンサは、測定電極１００と基準電極１０２間に発生した起電圧を一定に保つように、酸素ポンプ１０４に印加する直流電圧をフィードバック制御している。このフィードバック制御は、一般的に測定電極１００と基準電極１０２間に発生する起電力と目標とする比較電圧を比較器により比較し、比較器によって生じた差を増幅して、目標値との差の増幅電圧を作り、その増幅電圧がポンプに印加されるようになっている。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のガスセンサにおいては、以下に示す２つの点で問題がある。１つは、例えば図１２のガスセンサにおいて、増幅器のゲインを大きく設定しすぎると、フィードバック制御に発振が起こることであり（第１の問題点）、他の１つは、被測定ガスの酸素濃度が高い場合に、精度よく酸素濃度を測定できなくなることである（第２の問題点）。
【００１１】
まず、第１の問題点について具体的に説明すると、測定電極１００と内部空間１０６に接するポンプ電極１０８に幾何学的寸法があることによる。例えば、測定電極１００の酸素濃度が目標値より低い場合、ポンプ電圧Ｖｐが高まるようにフィードバック制御される。ポンプ電圧Ｖｐが高くなり、内部空間１０６の酸素が汲み出され、内部空間１０６の酸素濃度は徐々に低下するが、測定電極１００にその低下が伝わるのが前記幾何学的寸法の存在により時間的に遅れ、内部空間１０６の酸素濃度は目標値より下がってしまう。そして、低い酸素濃度を少し遅れて測定電極１００が検知し、今度はポンプ電圧Ｖｐが下がるようにフィードバックされる。
【００１２】
この場合も同じように、内部空間１０６の酸素分圧は徐々に高くなるが、幾何学的寸法により測定電極１００が検知したときには既に内部空間１０６の酸素濃度が下がりすぎるという現象が起こり、結果としてフィードバック制御回路は発振する。
【００１３】
この問題を解決するために、増幅器のゲインを小さくすると、測定ガス中の酸素濃度が高くなった場合に制御不足になる。測定ガス中の酸素濃度が高くなると大きなポンプ電圧Ｖｐが必要になるが、ゲインが小さいため、ポンプ電圧Ｖｐが所望の値に上がらないことによる。
【００１４】
次に、第２の問題点について説明する。一般に、酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサにおいては、図１３及び図１４に示すように、大気極１１０と排気ガス側の電極１１２間に一定のポンプ電圧Ｖｐを印加し、流れる電流値により酸素濃度を測定するセンサが広く知られているが、このセンサは一定のポンプ電圧Ｖｐを印加しているため、例えば、酸素濃度が大きくなると、酸素ポンプのインピーダンス分だけ起電力分が小さくなり、実質的に制御する酸素濃度が高くなり、精度よく酸素濃度を測定することができない（図１５の特性図において、Ｂ点はＡ点より酸素濃度が高い）。
【００１５】
一方、実公平７−４５００４号公報には、オペアンプを用いてポンプ電流に応じた電圧を作り、その電圧を帰還抵抗を介してオペアンプに帰還すると共に、電源に直列接続された抵抗に接続し、ポンプ電流が増加すると抵抗での電圧が重畳されてポンプに印加されるものが示されている。
【００１６】
これは、図１６に示すような回路を構成し、オペアンプＯＰの出力を帰還抵抗Ｒ１を介して大気極１１０側の入力端子に帰還することにより、出力点Ａにポンプ電流に対応する電圧を発生させ、一方、抵抗Ｒ２を介して排気ガス側の電極１１２の入力端子に帰還させると共に、抵抗ｒを介して電流を流すことにより、該抵抗ｒに発生した電圧分を電源電圧ＶE に重畳するものである。
【００１７】
電源に直列接続される抵抗を適当に設定することにより、（実際のポンプインピーダンス×ポンプ電流）に相当する電圧を、ポンプ電圧Ｖｐに重畳し、動作点を図１７に示すように、限流特性の一定の平坦部に設定し、精度よく酸素濃度を測定するというものである。
【００１８】
しかしながら、測定ガス中の酸素濃度が大きくなると、電圧降下分が大きくなり、起電力分よりはるかに大きくなるため、正確に一定の起電力に相当する動作点で作動させることが困難である。
【００１９】
自動車のように排気ガスの温度が大きく変化する場合にあっては、センサにヒータを設け、ヒータに供給する電力を制御する機構が具備される場合があるが、この場合でも、酸素ポンプのインピーダンスは僅かに変化し、ポンプ電流が大きくなると電圧降下分の補正に大きな誤差が生じ、正確に高酸素濃度を測定することが困難となる。
【００２０】
特に、ポンプを酸素濃度制御器として利用する場合は、この問題は最も深刻である。酸素センサとして利用する場合、測定ガス中の酸素濃度が大きくなって、ポンプ電流が大きくなり、測定空間の酸素濃度が１０-10 ａｔｍから１０-3ａｔｍに大きくなっても、その変化に基づく電流変化は、大きくなったポンプ電流に比較すると数％程度にとどまるが、酸素濃度制御器として利用する場合は、１０-10 ａｔｍから１０-3ａｔｍへの変化という大きなものになってしまうからである。
【００２１】
このように、従来のガスセンサにおいては、測定電極と基準電極間の起電力に基づいて酸素ポンプに印加する電圧を制御するとフィードバック制御系が発振するという第１の問題と、酸素ポンプのインピーダンスによる電圧降下分の誤差を精度よく吸収できないという第２の問題とがある。
【００２２】
本発明はこのような課題を考慮してなされたものであり、例えば酸素ポンプを用いた場合において、酸素ポンプへの制御電圧のフィードバック制御系の発振現象を有効に解消することができるガスセンサ、ガスセンサの制御方法及びガス濃度制御器を提供することを目的とする。
【００２３】
また、本発明の他の目的は、酸素ポンプのインピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収でき、酸素濃度を精度よく検出することができるガスセンサ、ガスセンサの制御方法及びガス濃度制御器を提供することにある。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスセンサは、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを設けて構成する。
【００２５】
これにより、まず、被測定ガスが第１の空間に導入され、そのときのガスポンプ手段における内側電極と第２の空間側に形成された基準電極との間の両端電圧が測定手段によって測定される。この測定電圧は制御電圧調整手段に供給される。制御電圧調整手段は、前記測定電圧に基づいて前記ガスポンプ手段に供給すべき制御電圧のレベルを調整する。ガスポンプ手段は、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、所定のガス成分を前記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。前記レベル調整された制御電圧のガスポンプ手段への供給によって、第１の空間における前記所定のガス成分の濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることとなる。
【００２６】
この場合、制御電圧のレベル調整に利用される測定手段での測定電圧は、ガスポンプ手段における内側電極と第２の空間における基準電極との間の両端電圧としている。そのため、ガスポンプ手段による前記所定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内における前記ガス成分の濃度が変化すると、ガスポンプ手段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、前記フィードバック制御に発振現象は生じなくなる。
【００２７】
そして、前記制御電圧調整手段としては、前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設けるようにして、該比較手段にて得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしてもよい。この場合、前記両端電圧が前記比較電圧に収束されるように前記制御電圧がフィードバック制御されることとなる。
【００２８】
また、前記構成において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるようにしてもよい。
【００２９】
通常、ガスポンプ手段による所定のガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプに電流が流れることから、ガスポンプのインピーダンスによる電圧降下分が制御電圧のレベル調整における誤差として現れることとなる。本発明においては、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧に反映させるようにしているため、前記誤差が有効に吸収され、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御に発振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィードバック制御を行わせることが可能となり、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、前記所定のガス成分の濃度を高精度に検出することができる。
【００３０】
また、本発明において、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部を設けるようにしてもよい。
そして、本発明では、前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、かつ前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、該ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段を設けるようにしている。この場合、被測定ガスに含まれる所定のガス成分の量を効果的に制御することができ、被測定ガス中の例えば酸化物や可燃ガスの量を高精度に測定することができる。
【００３１】
次に、本発明に係るガスセンサの制御方法は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に前記制御電圧を印加するためのポンプ電源を有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極とを有するガスセンサの制御方法において、前記ガスポンプ手段における前記内側電極と前記基準電極との両端電圧を測定し、その電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整することを特徴とする。
【００３２】
これにより、まず、被測定ガスが第１の空間に導入され、そのときのガスポンプ手段における内側電極と第２の空間側に形成された基準電極との間の両端電圧が測定される。そして、この測定電圧に基づいて前記ガスポンプ手段に供給すべき制御電圧のレベルが調整される。ガスポンプ手段は、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、所定のガス成分を前記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。前記レベル調整された制御電圧のガスポンプ手段への供給によって、第１の空間における前記所定のガス成分の濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることとなる。
【００３３】
この場合、制御電圧のレベル調整に利用される前記測定電圧は、ガスポンプ手段における内側電極と第２の空間における基準電極との間の両端電圧としている。そのため、ガスポンプ手段による前記所定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内における前記ガス成分の濃度が変化すると、ガスポンプ手段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、前記フィードバック制御に発振現象は生じなくなる。
【００３４】
前記制御電圧の調整として、前記起電圧と比較電圧との偏差をとり、得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしてもよい。この場合、前記測定電圧が前記比較電圧に収束されるように前記制御電圧がフィードバック制御されることとなる。
【００３５】
また、前記制御方法において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整するようにしてもよい。
【００３６】
通常、ガスポンプ手段による所定のガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプに電流が流れることから、ガスポンプのインピーダンスによる電圧降下分が制御電圧のレベル調整における誤差として現れることとなる。本発明においては、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧に反映させるようにしているため、前記誤差が有効に吸収され、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御に発振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィードバック制御を行わせることが可能となり、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、前記所定のガス成分の濃度を高精度に検出することができる。
【００３７】
また、本発明において、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部を設けるようにしてもよい。
そして、本発明では、前記ガスセンサに、前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、かつ前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段を設けるようにしている。この場合、被測定ガスに含まれる所定のガス成分の量を効果的に制御することができ、被測定ガス中の例えば酸化物や可燃ガスの量を高精度に測定することができる。
【００３８】
次に、本発明に係るガス濃度制御器は、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを設けて構成する。
【００３９】
これにより、まず、被測定ガスがガス拡散律速部を通じて第１の空間に導入され、そのときのガスポンプ手段における内側電極と第２の空間側に形成された基準電極との間の両端電圧が測定手段によって測定される。この測定電圧は制御電圧調整手段に供給される。制御電圧調整手段は、前記測定電圧に基づいて前記ガスポンプ手段に供給すべき制御電圧のレベルを調整する。ガスポンプ手段は、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、所定のガス成分を前記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。前記レベル調整された制御電圧のガスポンプ手段への供給によって、第１の空間における前記所定のガス成分の濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることとなる。
【００４０】
この場合、制御電圧のレベル調整に利用される測定手段での測定電圧は、ガスポンプ手段における内側電極と第２の空間における基準電極との間の両端電圧としている。そのため、ガスポンプ手段による前記所定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内における前記ガス成分の濃度が変化すると、ガスポンプ手段における内側電極と基準電極間の両端電圧が時間遅れなく変化するため、前記フィードバック制御に発振現象は生じなくなる。
【００４１】
そして、前記制御電圧調整手段としては、前記起電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設けるようにして、該比較手段にて得られた偏差に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしてもよい。この場合、前記両端電圧が前記比較電圧に収束されるように前記制御電圧がフィードバック制御されることとなる。
【００４２】
また、前記構成において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるようにしてもよい。
そして、本発明では、前記第１の空間内の被測定ガスが導入される第３の空間と、前記被測定ガスの前記第３の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与する第２のガス拡散律速部と、前記第３の空間内に前記所定のガス成分を送り込むガス成分供給手段と、前記ガス成分供給手段により送り込まれる前記ガス成分を検出するガス成分検出手段とを有する。
【００４３】
通常、ガスポンプ手段による所定のガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプに電流が流れることから、ガスポンプのインピーダンスによる電圧降下分が制御電圧のレベル調整における誤差として現れることとなる。本発明においては、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その電流値を比較電圧に反映させるようにしているため、前記誤差が有効に吸収され、ガスポンプ手段に対するフィードバック制御に発振現象を生じさせることなく、しかも精度よくフィードバック制御を行わせることが可能となり、第１の空間に導入された被測定ガスのうち、前記所定のガス成分の濃度を高精度に検出することができる。
【００５０】
【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，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、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適用した２つの実施の形態例（以下、単に第１の実施の形態に係るガスセンサ及び第２の実施の形態に係るガスセンサと記す）を図１〜図１１を参照しながら説明する。
【００５１】
まず、第１の実施の形態に係るガスセンサは、図１及び図２に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックからなる例えば６枚の固体電解質層１０ａ〜１０ｆが積層されて構成され、下から１層目及び２層目が第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂとされ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペース層１０ｃ及び１０ｅとされ、下から４層目及び６層目が第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆとされている。
【００５２】
具体的には、第２の基板層１０ｂ上に第１のスペース層１０ｃが積層され、更に、この第１のスペース層１０ｃ上に第１の固体電解質層１０ｄ、第２のスペース層１０ｅ及び第２の固体電解質層１０ｆが順次積層されている。第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂ間には、酸素イオンの伝導性を高めるためのヒータ１２が絶縁膜１４を介して埋め込まれている。
【００５３】
第２の基板層１０ｂと第１の固体電解質層１０ｄとの間には、酸化物測定の基準となる基準ガス、例えば大気が導入される空間（基準ガス導入空間）１６が、第１の固体電解質層１０ｄの下面、第２の基板層１０ｂの上面及び第１のスペース層１０ｃの側面によって区画、形成されている。
【００５４】
第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆ間には、被測定ガスが導入される空間（ガス導入空間）１８が、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第１の固体電解質層１０ｄの上面及び第２のスペース層１０ｅの側面によって区画、形成され、最上層の第２の固体電解質層１０ｆには、前記ガス導入空間１８に連通する拡散律速部２０が形成されている。この拡散律速部２０は、ガス導入空間１８に導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものであり、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成することができる。
【００５５】
前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記ガス導入空間１８を形づくる下面には、後述する酸素ポンプ２２を構成するための一方の電極（内側ポンプ電極２４ａ）が形成され、前記第２の固体電解質層１０ｆの上面には、酸素ポンプ２２を構成するための他方の電極（外側ポンプ電極２４ｂ）が形成されている。
【００５６】
また、第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、前記基準ガス導入空間１６を形づくる下面には、被測定ガスの酸素分圧を測定するための基準電極２６が形成されている。
【００５７】
この場合、基準ガス導入空間１６に導入される大気の酸素分圧と、ガス導入空間１８に導入される被測定ガスの酸素分圧との差に基づいて酸素濃淡電池電力が生じる。この電力は、基準ガス導入空間１６とガス導入空間１８との電位差Ｖによって表される。この電位差Ｖは以下のネルンストの式により求めることができる。
【００５８】
Ｖ＝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 ）：ガス導入空間内の酸素分圧
Ｐ０（Ｏ2 ）：基準ガスの酸素分圧
従って、前記ネルンストの式に基づく電位差Ｖを電位差計２８によって測定することで、ガス導入空間１８内の酸素分圧を測定することができる。
【００５９】
また、第２の固体電解質層１０ｆの内外に形成された内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂは、ガス導入空間１８内に導入された被測定ガス中の酸素分圧を所定値に設定する酸素ポンプ２２を構成する。つまり、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性を備えた固体電解質層は、電圧をかけると酸素を汲み出すポンプとして働くからであり、前記両ポンプ電極２４ａ及び２４ｂは、固体電解質層にてポンプ動作を行わせるための電圧印加手段を構成する。
【００６０】
一般には、前記内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に、前記電位差計２８によって検出された電位差Ｖに基づいて設定されたポンプ電圧Ｖｐが可変電源３０により印加されるようになっており、前記酸素ポンプ２２は、前記ポンプ電圧Ｖｐの印加によって、ガス導入空間１８に対して酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、これによって、前記ガス導入空間１８内の酸素分圧が所定値に設定されるようになっている。
【００６１】
そして、前記第１の実施の形態に係るガスセンサは、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧を測定し、この測定電圧と基準電圧との差分をとって、その差分電圧によって前記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構成している。
【００６２】
具体的には、前記第１の実施の形態に係るガスセンサは、図２に示すように、前記基準電極２６と内側ポンプ電極２４ａとの間の両端電圧を基準電圧Ｖｂと比較してその差分を所定のゲインにて増幅して出力する比較増幅器３２を設け、該比較増幅器３２からの出力電圧（差分電圧）を酸素ポンプ２２へのポンプ電圧Ｖｐとして内側ポンプ電極２４ａと外側ポンプ電極２４ｂ間に印加するように配線接続されて構成されている。この例においては、内側ポンプ電極２４ａは接地とされている。
【００６３】
次に、前記第１の実施の形態に係るガスポンプの動作について説明すると、まず、被測定ガスが拡散律速部２０を通じてガス導入空間１８に導入され、そのときの酸素ポンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準ガス導入空間１６側に形成された基準電極２６との間の両端電圧が比較増幅器３２の例えば反転端子に印加される。この比較増幅器３２においては、反転端子に供給されている前記両端電圧と非反転端子に供給されている基準電圧Ｖｂとの差分がとられ、その出力端子からは、前記差分を所定のゲインにて増幅させたポンプ電圧（出力電圧）Ｖｐが取り出されることとなる。この出力電圧Ｖｐは、酸素ポンプ２２における外側ポンプ電極２４ｂに印加されるが、この場合、内側ポンプ電極２４ａは接地電位（０Ｖ）とされていることから、結局、酸素ポンプ２２の両電極間の電圧は、前記比較増幅器３２からの出力電圧Ｖｐと等価とされる。従って、酸素ポンプ２２は、ガス導入空間１８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記出力電圧Ｖｐのレベルに応じた量ほど汲み出す、又は汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、ガス導入空間１８における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることとなる。
この場合、比較増幅器３２の反転端子に印加される両端電圧（測定電圧）を、酸素ポンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準ガス導入空間１６における基準電極２６との間の両端電圧としている。そのため、酸素ポンプ２２による酸素の汲み出し量が変化して、ガス導入空間１８内における酸素の濃度が変化すると、酸素ポンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６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での発振現象を有効に抑えることができる。
【００６４】
なお、前記フィードバック制御系においては、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧が前記基準電圧Ｖｂと同じレベルに収束されるように前記ポンプ電圧（出力電圧Ｖｐ）がフィードバック制御されることとなる。
【００６５】
次に、前記第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例について図３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記し、その重複説明を省略する。
【００６６】
この変形例に係るガスセンサは、図示するように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックからなる例えば６枚の固体電解質層１０ａ〜１０ｆが積層されて構成されている点と、これら６枚の固体電解質層１０ａ〜１０ｆが長尺の板状体形状に形成されている点で前記第１の実施の形態に係るガスセンサとほぼ同じであるが、第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆ間に第２のスペース層１０ｅが挟設されると共に、第１及び第２の拡散律速部４０及び４２が挟設されている点で異なる。
【００６７】
そして、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部４０及び４２の側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１室４４が区画、形成され、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第２の拡散律速部４２の側面及び第２のスペース層１０ｅの側面並びに第１の固体電解質層１０ｄの上面にて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４６が区画、形成される。前記第１室４４及び第２室４６は、前記第２の拡散律速部４２を介して連通されている。
【００６８】
また、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第２室４６を形づくる上面には、後述する第２の酸素ポンプ４８を構成するための一方の電極（上側ポンプ電極５０ａ）が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１６を形づくる下面であって、かつ基準電極２６とは別の箇所に第２の酸素ポンプ４８を構成するための他方の電極（下側ポンプ電極５０ｂ）が形成されている。
【００６９】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部４０及び４２は、第１室４４及び第２室４６に導入される被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するものであり、例えば、被測定ガスを導入することができる多孔質材料又は所定の断面積を有した小孔からなる通路として形成することができる。
【００７０】
このガスセンサにおいても、第１室４４における内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に、電位差計２８によって検出された電位差に基づいて設定されたポンプ電圧Ｖｐが可変電源３０により印加されるようになっており、前記酸素ポンプ２２は、前記ポンプ電圧Ｖｐの印加によって、第１室４４に対して酸素の汲み出し又は汲み入れを行い、これによって、前記第１室４４内の酸素分圧が所定値に設定されるようになっている。即ち、このガスセンサは、第１室４４、酸素ポンプ２２、基準電極２６及び基準ガス導入空間１６にて構成される酸素濃度制御器５２を具備した構成となっており、実質的な窒素酸化物の測定は、第２室４６において行われることになる。
【００７１】
この変形例に係るガスセンサの測定原理を簡単に説明すると、酸素濃度制御器５２における酸素ポンプ２２によって第１室４４内の酸素濃度が、ＮＯｘが分解されない程度に、例えば１０-7ａｔｍになるように、ポンプ電圧Ｖｐが印加される。この１０-7ａｔｍでＮＯｘが分解されないようにするには、内側ポンプ電極２４ａにＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【００７２】
第１室４４における酸素濃度の検出は、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素ポンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧を基準としており、この両端電圧が基準電圧Ｖｂ（図２参照）に近づくように、即ち、第１室４４の酸素濃度がほぼ０となるように前記ポンプ電圧Ｖｐが制御されて酸素ポンプ２２に印加されることになる。
【００７３】
これによって、第１室４４には一酸化窒素（ＮＯ）が残る。第１室４４に残ったＮＯは第２の拡散律速部４２を通って次の第２室４６に流れ込む。この第２室４６では、導入されたＮＯをＮとＯに分解し、そのうち、酸素Ｏの濃度を計測して、間接的にＮＯの濃度を求めるようにしている。ＮＯの分解を起こさせるには、上側ポンプ電極５０ａに例えばＲｈ，Ｐｔ等のＮＯｘ還元性を有する材料を用いることにより達成される。
【００７４】
この酸素Ｏの測定は、上側ポンプ電極５０ａと下側ポンプ電極５０ｂとの間に流れる電流を計測することにより行われる。具体的には、下側ポンプ電極５０ｂと上側ポンプ電極５０ａ間にポンプ電源５４を第２室４６から酸素Ｏ2 を汲み出す方向に接続する。このとき、第２室４６に酸素がなければ、前記両電極５０ａ及び５０ｂ間での酸素の移動（酸素の汲み出し）は行われないため、該両電極５０ａ及び５０ｂ間に電流は流れず、第２室４６に酸素があれば、酸素の汲み出し動作によって前記両電極５０ａ及び５０ｂ間に電流が流れることになる。従って、ポンプ電源５４に直列に電流計５６を挿入接続してその電流値を計測することにより、第２室４６の酸素濃度を測定することができる。そして、この電流値は、汲み出される酸素の量に比例することから、この電流値からＮＯの量を定めることが可能となり、これは、同時にＮＯ2 を測定でき得ることと同じである。
【００７５】
つまり、この変形例に係るガスセンサは、第１室４４で被測定ガス中の酸素濃度を低い値で一定にし、第２室４６で触媒、又は電気分解で結合酸素を分解し、分解時に発生した酸素を第２の酸素ポンプ４８で汲み出し、その汲み出しの際に流れる電流を測定することにより、結合酸素を有するガス成分の濃度を測定するものである。
【００７６】
結合酸素を有するガス成分としてＮＯｘを測定するときは、第２室４６内の触媒でＮＯｘを分解するのがよい。Ｈ2 Ｏ，ＣＯ2 を測定するときは電気分解によるのがよい。
【００７７】
なお、ＨＣ等の可燃ガス成分を測定する場合にあっては、以下のように行われる。まず、第１室４４の酸素濃度を可燃ガス成分が燃焼しないレベル、例えば１０-15 ａｔｍとなるようにポンプ電圧を印加し、第２室４６では酸素が汲み入れられる方向にポンプ電源を接続して、可燃ガス成分を燃焼させる。このとき、可燃ガス成分が燃焼するのに要した酸素量、即ちポンプ電流を測定することにより、可燃ガス成分の量を求めることができる。
【００７８】
この変形例に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素濃度制御器５２における内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧を測定し、この測定電圧と基準電圧Ｖｂとの差分をとって、その差分電圧によって前記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構成している。
【００７９】
具体的には、前記変形例に係るガスセンサは、図４に示すように、前記基準電極２６と内側ポンプ電極２４ａとの間の両端電圧を基準電圧Ｖｂと比較してその差分を所定のゲインにて増幅して出力する比較増幅器３２を設け、該比較増幅器３２からの出力電圧（差分電圧）を酸素ポンプ２２へのポンプ電圧Ｖｐとして内側ポンプ電極２４ａと外側ポンプ電極２４ｂ間に印加するように配線接続されて構成されている。この例においても、内側ポンプ電極２４ａは接地とされている。
【００８０】
この変形例においても、比較増幅器３２の反転端子に印加される両端電圧（測定電圧）を、酸素ポンプ２２における内側ポンプ電極２４ａと基準ガス導入空間１６における基準電極２６との間の両端電圧としているため、第１室４４内における酸素濃度の変化が時間遅れなく、酸素ポンプ２２の内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の両端電圧の変化として現れ、これにより、前記フィードバック制御での発振現象を有効に抑えることができる。
【００８１】
次に、第２実施の形態に係るガスセンサについて図５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記す。
【００８２】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、第１実施の形態に係るガスセンサとほぼ同様の構成を有するが、内側ポンプ電極２４ａとＧＮＤ間に抵抗Ｒが接続され、抵抗Ｒの一端と基準電圧Ｖｂの発生源（電源６０）との間に差動増幅器６２が挿入接続されて構成されている点で異なる。具体的には、差動増幅器６２の非反転端子に抵抗Ｒの前記一端が接続され、差動増幅器６２の反転端子は接地とされ、その出力端子は、電源６０の負極に接続されて構成されている。
【００８３】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、酸素ポンプ２２による酸素の汲み出しによって内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に流れる電流が抵抗Ｒでの電圧降下によってその電流値に応じた電圧に変換されて、差動増幅器６２の非反転端子に印加されるように配線接続されるものである。
【００８４】
通常、酸素ポンプ２２による酸素の汲み出しの際に、該酸素ポンプ２２に電流が流れることから、酸素ポンプ２２のインピーダンスによる電圧降下分がポンプ電圧Ｖｐのレベル調整における誤差として現れることとなる。
【００８５】
しかし、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、酸素ポンプ２２に流れる電流を抵抗Ｒにて電圧に変換し、該電圧を差動増幅器６２にて所定のゲインで増幅して電源６０に重畳させるようにしている。つまり、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧は、内側ポンプ電極２４ａの界面抵抗（インピーダンス）の電圧降下分が重畳されるのみであり、その電圧降下分はかなり下がる。従って、電圧降下分の補正は僅かで済み、その分、精度が向上する。換言すれば、酸素ポンプ２２のインピーダンスによる電圧降下分が基準電圧Ｖｂに反映（重畳）することとなり、これによって、ポンプ電圧Ｖｐに対する酸素ポンプ２２のインピーダンスによる誤差が有効に吸収され、ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御を精度よく行わせることが可能となる。これは、ガス導入空間１８での酸素濃度を高精度に検出することができることにつながる。
【００８６】
また、上記第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素ポンプ２２に供給されるポンプ電圧Ｖｐをガス導入空間１８の酸素濃度が所定の濃度になるように制御するフィードバック制御系での発振の発生を抑制するという効果を有する。即ち、発振の抑制と精度の向上という２つの課題を、第２の実施の形態に係るガスセンサのみで実現でき、しかも、上記２つの課題を解決するための組み合わせ構造が非常に簡単であることも効果として大きい。
【００８７】
ここで、前記第２の実施の形態に係るガスセンサ（実施例）での特性改善を従来のガスセンサ（比較例）と比較しながら説明する。
【００８８】
まず、図６の表図は、被測定ガス中の酸素濃度が変化したとき、起電力分を４００ｍＶに補正制御しようとする場合の比較例と実施例の実際の起電力分を比較したものである。比較例では、酸素濃度が高い場合、起電力分が大きく低下しているのに対し、実施例では低下はあるものの、その度合いが大きく改善されている。
【００８９】
図７及び図８は、前記様子を示したものである。本比較試験では、酸素ポンプ２２のインピーダンスはいずれも１００Ωになるようにガスセンサの温度が調整されている。
【００９０】
比較例（実公平７−４５００４号）では、酸素ポンプ２２のインピーダンスが１００Ωであることから、補正電圧はこの（１００Ω×ポンプ電流）が理想であるが、実際はその１／２の（５０Ω×ポンプ電流）しか補正できなかった。これは、発振によるものであり、（５０Ω×ポンプ電流）以上では、制御に発振現象が生じ、制御不能であった。
【００９１】
比較例では、酸素ポンプ２２のインピーダンス測定のために、電源に交流分（５００〜１００ｋＨｚ）を重畳させ、この交流電圧で酸素ポンプのインピーダンスを測定するが、交流分が正帰還されるため、発振が起こりやすいのを、オペアンプの出力をローパスフィルタを介して正帰還することにより、交流分をカットし、直流分（電圧降下補正用）のみを正帰還し、電圧降下分をポンプ電圧Ｖｐに重畳している。実験では交流分の周波数を１０ｋＨｚ、ローパスフィルタのカットオフ周波数を１ｋＨｚとした。交流分の信号に基づくヒータの制御は行っていない。
【００９２】
直流成分による発振現象は、実験によれば、５０Ｈｚ以下の非常に低い周波数で起こっており、数１００Ｈｚ以上の周波数をカットするローパスフィルタでは依然として直流分の発振が起こり易い。
【００９３】
一方、実施例では、酸素ポンプ２２のインピーダンスを１００Ωにしたときには、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間のインピーダンスは３５Ωであり、補正電圧の理想値は（３５Ω×ポンプ電流）であるが、比較例と同様に実際はその１／２の（１７．５×ポンプ電流）しか補正できなかった。
【００９４】
しかしながら、図８の特性図及び図６の表図から明らかなように、実施例によれば、酸素濃度が大きくなった場合、補正効果は比較例に比べ、大きく改善されている。これは、実施例による補正が、比較例に比べ、補正量を大きく低減させる効果によるもので、その低減効果は予測（酸素ポンプ２２の内側ポンプ電極２４ａを利用しているのみであるから、外側ポンプ電極２４ｂも使っている比較例に比べ、１／２になると予測される）よりもはるかに大きくなっている。
【００９５】
その理由は、比較例では、酸素ポンプ２２のインピーダンスＺｐの全てを補正する必要があるが、実施例では次式のＺ１，Ｚ２，Ｚ３が無視できることによる。
【００９６】
Ｚｐ＝Ｚ１＋Ｚ２＋Ｚ３＋Ｚ４
Ｚ１：外側ポンプ電極２４ｂと第２の固体電解質層１０ｆとの界面抵抗
Ｚ２：第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ2 粒子間の界面抵抗
Ｚ３：第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ2 粒子抵抗
Ｚ４：内側ポンプ電極２４ａと第２の固体電解質層１０ｆとの界面抵抗
また、一般に、ヒータ１２を備えた酸素ポンプ２２では、外側ポンプ電極２４ｂは内側ポンプ電極２４ａに比べ温度が低く、界面抵抗が高くなる傾向があるが、実施例では、温度の低い外側ポンプ電極２４ｂを無視できるため、予想以上の補正電圧の低減効果が得られ、インピーダンスの測定手段、更にそれに基づくヒータ制御、あるいは補正電圧の制御手段等を用いなくても精度を高めることができる。
【００９７】
また、使用過程における酸素ポンプ２２のインピーダンスの増加は、外側ポンプ電極２４ｂの界面抵抗の増加が主原因であり、実施例によれば、外側ポンプ電極２４ｂを無視した補正であるため、使用過程におけるインピーダンスの増大にも十分対応できる。
【００９８】
図９及び図１０は、２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３０，０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示したものである。図９において、二点鎖線は走行開始段階（初期段階）の特性を示し、実線は３０，０００ｋｍ走行した後の特性を示す。また、図１０において、細い実線は走行開始段階（初期段階）の特性を示し、太い実線は３０，０００ｋｍ走行した後の特性を示す。
【００９９】
比較例では、図９に示すように、２０％の酸素では全く補正が効かず、５％でようやく平坦部の動作点になるのに対し、実施例では、図１０に示すように、２０％でも依然として平坦部での動作が可能であり、前記実施例、即ち第２の実施の形態に係るガスセンサの補正の有用性が理解できる。
【０１００】
次に、前記第２の実施の形態に係るガスセンサの変形例について図１１を参照しながら説明する。なお、図４と対応するものについては同符号を記し、その重複説明を省略する。
【０１０１】
この変形例に係るガスセンサは、図示するように、第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例とほぼ同じ構成を有するが、内側ポンプ電極２４ａとＧＮＤ間に抵抗Ｒが接続され、抵抗Ｒの一端と基準電圧Ｖｂの発生源（電源６０）との間に差動増幅器（オペアンプ）６２が挿入接続されて構成されている点で異なる。具体的には、差動増幅器６２の非反転端子に抵抗Ｒの前記一端が接続され、差動増幅器６２の反転端子は接地とされ、差動増幅器６２の出力端子は、電源６０の負極に接続されて構成されている。
【０１０２】
この変形例に係るガスセンサにおいても、前記第２の実施の形態に係るガスセンサと同様に、酸素ポンプ２２に流れる電流を抵抗Ｒにて電圧に変換し、該電圧を差動増幅器６２にて所定のゲインで増幅して電源６０に重畳させるようにしていることから、ポンプ電圧Ｖｐに対する酸素ポンプ２２のインピーダンスによる誤差が有効に吸収され、ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御を精度よく行わせることが可能となる。
【０１０３】
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。
【０１０４】
【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、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを設けるようにしている。
【０１０５】
このため、ガスポンプ手段への制御電圧のフィードバック制御系の発振現象を有効に解消することができるという効果が達成される。
【０１０６】
特に、前記構成において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるようにすれば、ガスポンプ手段のインピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収でき、所定のガス成分の濃度を精度よく検出することができるという効果を併せ持つことができる。
【０１０７】
次に、本発明に係るガスセンサの制御方法によれば、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に前記制御電圧を印加するためのポンプ電源を有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極とを有するガスセンサの制御方法において、前記ガスポンプ手段における前記内側電極と前記基準電極との両端電圧を測定し、その電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整するようにしている。
【０１０８】
このため、ガスポンプ手段への制御電圧のフィードバック制御系の発振現象を有効に解消することができるという効果が達成される。
【０１０９】
特に、前記制御方法において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出し、その検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整するようにすれば、ガスポンプ手段のインピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収でき、所定のガス成分の濃度を精度よく検出することができるという効果を併せ持つことができる。
【０１１０】
次に、本発明に係るガス濃度制御器によれば、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ被測定ガスが導入される第１の空間と、前記被測定ガスの前記第１の空間への導入経路に設けられ、前記被測定ガスに対して所定の拡散抵抗を付与するガス拡散律速部と、前記基体における前記第１の空間の内外に形成された内側電極及び外側電極と、これら両電極にて挟まれた前記基体と、前記両電極間に所定のガス成分を汲み出すための制御電圧を印加するポンプ電源とを有するガスポンプ手段と、固体電解質からなる基体にて囲まれ、かつ基準ガスが導入される第２の空間と、前記基体における前記第２の空間側に形成された基準電極と前記ガスポンプ手段における前記内側電極との間の両端電圧を測定する測定手段と、前記両端電圧に基づいて前記制御電圧のレベルを調整する制御電圧調整手段とを設けるようにしている。
【０１１１】
このため、ガスポンプ手段への制御電圧のフィードバック制御系の発振現象を有効に解消することができるという効果が達成される。
【０１１２】
特に、前記構成において、前記ガスポンプ手段による前記ガス成分の汲み出しの際に、該ガスポンプ手段に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電流検出手段にて検出された電流値に基づいて前記比較電圧のレベルを調整する比較電圧調整手段を設けるようにすれば、ガスポンプ手段のインピーダンスによる電圧降下分の誤差を吸収でき、所定のガス成分の濃度を精度よく検出することができるという効果を併せ持つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】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，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、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適用した第１の実施の形態例（以下、単に第１の実施の形態に係るガスセンサと記す）を示す概略構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサの具体的構成を示す構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例の概略構成を示す構成図である。
【図４】第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例の具体的構成を示す構成図である。
【図５】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，ＮＯ2 ，ＳＯ2 、ＣＯ2 、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適用した第２の実施の形態例（以下、単に第２の実施の形態に係るガスセンサと記す）の具体的構成を示す構成図である。
【図６】被測定ガス中の酸素濃度が変化したときに、起電力分を４００ｍＶに補正制御しようとする場合の比較例と実施例の実際の起電力分を比較した表図である。
【図７】比較例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図である。
【図８】実施例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図である。
【図９】２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３０，０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示すもので、比較例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図である。
【図１０】２．０Ｌ直列４気筒エンジンの実車にて３０，０００ｋｍの実車走行をした後の補正の様子を示すもので、実施例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図である。
【図１１】第２の実施の形態に係るガスセンサの変形例の具体的構成を示す構成図である。
【図１２】従来例に係る全領域酸素ガスセンサを示す構成図である。
【図１３】従来例に係る酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサ（その１）を示す構成図である。
【図１４】従来例に係る酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサ（その２）を示す構成図である。
【図１５】従来例に係る酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサの限流特性を示す特性図である。
【図１６】他の従来例に係るガスセンサを示す構成図である。
【図１７】他の従来例に係るガスポンプの限流特性を示す特性図である。
【符号の説明】
１６…基準ガス導入空間              １８…ガス導入空間
２０…拡散律速部                    ２２…酸素ポンプ
２４ａ…内側ポンプ電極              ２４ｂ…外側ポンプ電極
２６…基準電極                      ３２…比較増幅器
４０…第１の拡散律速部              ４２…第２の拡散律速部
４４…第１室                        ４６…第２室
５２…酸素濃度制御器                ６２…差動増幅器
Ｒ…抵抗
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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