(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第１の制御電圧調整手段と、
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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、
前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを有し、
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、
前記第１の制御電圧調整手段は、前記両端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、
前記第２の制御電圧調整手段は、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て電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる増幅器を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記スパイク抑制手段は、前記抵抗の両端に接続される容量を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項３又は４記載のガスセンサにおいて、
前記スパイク抑制手段は、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記スパイク抑制手段は、前記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される容量を有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項７】
請求項１〜６のうち、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８】
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第１の制御電圧調整手段と、
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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、
前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを有し、
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９】
請求項８記載のガス濃度制御器において、
前記第１の制御電圧調整手段は、前記両端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１０】
請求項９記載のガス濃度制御器において、
前記第２の制御電圧調整手段は、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て電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる増幅器を有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、
前記スパイク抑制手段は、前記抵抗の両端に接続される容量を有することを特徴とするガス濃度制御器。
【請求項１２】
請求項１０又は１１記載のガス濃度制御器において、
前記スパイク抑制手段は、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を有することを特徴とするガス濃度制御器。
【請求項１３】
請求項１０記載のガス濃度制御器において、
前記スパイク抑制手段は、前記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される容量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 、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１７に示すような酸素ポンプを用いた限界電流式酸素センサがある。この酸素センサは、３枚の固体電解質層１００ａ〜１００ｃが積層されて構成され、２層目の固体電解質層１００ｂはスペース層とされて、該スペース層１００ｂの側面と最下層の固体電解質層１００ａの上面及び最上層の固体電解質層１００ｃの下面にて形成される基準ガス導入空間１０２を有する。そして、この基準ガス導入空間１０２には例えば大気が導入され、その内壁面には内側ポンプ電極１０４ａが形成されている。また、最上層の固体電解質層１００ｃの上面には外側ポンプ電極１０４ｂが形成され、該電極１０４ｂを被覆するように拡散律速層１０６が形成されている。酸素ポンプ１０８は、外側ポンプ電極１０４ｂ、内側ポンプ電極１０４ａ及びその間に存する固体電解質層１００ｃにて構成される。
【０００９】
この酸素センサにおいては、内側ポンプ電極１０４ａと外側ポンプ電極１０４ｂ間に一定のポンプ電圧Ｖｐが印加され、これら両電極１０４ａ及び１０４ｂ間に流れる電流を電流計１１０にて測定することにより、排気ガスの酸素濃度を計測するものである。
【００１０】
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、図１８に示すように、酸素濃度が大きくなると、酸素ポンプ１０８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（図中のＢ点はＡ点より酸素濃度が高い）。
【００１１】
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。
【００１２】
これは、図１９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（内側ポンプ電極１０４ａ）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を介して外側ポンプ電極１０４ｂ側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、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。
【００１３】
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２０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。
【００１４】
【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、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。
【００１５】
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、ガス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１０８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。
【００１６】
特に、酸素ポンプ１０８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。酸素ポンプ１０８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。
【００１７】
また、実際には、（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に重畳させることができず、精度がさらに低下するという問題がある。
【００１８】
図２１はその様子を示したものである。本比較試験では、酸素ポンプ１０８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。
【００１９】
従来法（実公平７−４５００４号）では、酸素ポンプ１０８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。
【００２０】
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。
【００２１】
実公平７−４５００４号では、酸素ポンプ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、発振が起こり易いのを、オペアンプＯＰ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。
【００２２】
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直流分の発振の起こり易さの問題は依然として残る。
【００２３】
また、この方式では、ローパスフィルタあるいはローパスフィルタ＋ＣＲフィルタという電気回路が必要であり、簡素で十分な効果をもつ方式が望まれていた。
【００２４】
一方、精度のよい酸素ポンプを利用した全領域型の酸素センサとしては、図２２に示すように、ポンプセル１２０とセンサセル１２２により内部空間１２４を作り、内部空間１２４と測定ガス雰囲気を拡散律速部１２６を介して連通するものが広く知られている。
【００２５】
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て測定することにより、ＮＯｘを測定するセンサが知られている。
【００２６】
このセンサは、酸素ポンプによる酸素濃度制御器を備え、酸素濃度制御器で一定の低い酸素濃度に制御するところから、この酸素濃度制御器には酸素センサ以上の精度が要求される。
【００２７】
全領域センサでは、酸素濃度が低い領域では、ポンプ電流が小さく、ポンプインピーダンスによる電圧降下分による精度の低下が少ない。一方、酸素濃度が高い領域で（例えば数％）、電圧降下分の影響が大きくなり精度が低下するものの、測定する酸素濃度が数％（数万ｐｐｍ）で、誤差が数百ｐｐｍあったとしても、大きな問題とはならない。
【００２８】
しかし、例えば、ＮＯｘセンサのように、せいぜい数千ｐｐｍの濃度を測定する場合にあっては、数百ｐｐｍの酸素濃度の変化は大きな誤差要因となり、この種のガスセンサの酸素濃度制御器には高い制御精度が要求される。
【００２９】
図２２に示すように、測定電極１２８と基準電極１３０間の起電力に基づいて酸素濃度を制御するものは、測定電極１２８と基準電極１３０間に発生した両端電圧を一定に保つように、酸素ポンプ１３２に印加するポンプ電圧（直流電圧）Ｖｐをフィードバック制御するようにしており、精度は高いものの、制御系に発振現象が発生するという欠点がある。
【００３０】
即ち、上記フィードバック制御は、一般に、測定電極１２８と基準電極１３０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、目標値との差の増幅電圧を作り、その増幅電圧が酸素ポンプ１３２に印加されるようになっている。
【００３１】
しかしながら、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という欠点がある。
【００３２】
これは、測定電極１２８と内部空間１２４に接するポンプ電極１３４に幾何学的寸法があるためであり、例えば、測定電極１２８部分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１２４の酸素が汲み出され、内部空間１２４の酸素濃度は徐々に低下するが、測定空間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遅れ、内部空間１２４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１２８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。
【００３３】
この場合も、内部空間１２４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１２８が検知したときには既に内部空間１２４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。
【００３４】
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、しかも、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及びガス濃度制御器を提供することを目的とする。
【００３５】
【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第１の制御電圧調整手段と、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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを設けて構成する。
【００３６】
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、第１の制御電圧調整手段に供給される。第１の制御電圧調整手段は、上記測定電圧に基づいて上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、所定のガス成分を上記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。上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の空間における上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。
【００３７】
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上記所定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内における上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、上記フィードバック制御での発振現象は抑制される。
【００３８】
上記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が、この発明においては、第２の制御電圧調整手段において、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その電流値を第１の制御電圧調整手段でのレベル調整に反映させるようにしているため、上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を精度よく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、上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。
【００３９】
ところで、第１の制御電圧調整手段による調整動作によって、制御電圧が例えばステップ状に変化した場合、ガスポンプ手段に瞬間的に大電流が流れ、これにより、第２の制御電圧調整手段においてスパイク状のノイズが発生する場合がある。この第２の制御電圧調整手段を正帰還形の調整回路として構成した場合、上記スパイク状のノイズによって発振が生じるおそれがある。
【００４０】
しかし、本発明においては、第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段を設けていることから、上記スパイク状のノイズを有効に抑制することができ、第２の制御電圧調整手段での発振を防止することができる。これは、第１の制御電圧調整手段での制御電圧に対する調整の高精度化につながり、第１の空間に導入された被測定ガスにおける上記所定のガス成分の濃度を精度よく測定することが可能となる。
【００４１】
そして、上記構成において、前記第１の制御電圧調整手段に、前記両端電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設け、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、上記両端電圧が上記比較電圧に収束されるように上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、上記構成において、前記第２の制御電圧調整手段として、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て電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる増幅器を設けるようにしてもよい。これにより、前記ガスポンプ手段による前記所定のガス成分の汲み出しの際に発生する電流が抵抗に流れることによって、該抵抗に電圧降下が生じ、この電圧降下分の電圧が増幅器において所定のゲインにて増幅されて前記第１の制御電圧調整手段における比較電圧に重畳されることとなる。即ち、ガスポンプ手段のインピーダンスによる電圧降下分が第１の制御電圧調整手段での制御電圧に対する調整に反映されることとなり、ガスポンプ手段のインピーダンスに基づく誤差が有効に吸収され、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る。
【００４３】
一方、前記スパイク抑制手段としては、前記抵抗の両端に接続される容量を設けるようにしてもよい。この場合、前記抵抗と容量との時定数によって、フィードバック制御系に比例積分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク状のノイズは有効に抑制されることとなる。
【００４４】
前記スパイク抑制手段としては、前記構成のほかに、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を設けるようにしてもよいし、前記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される容量を設けるようにしてもよい。
【００４５】
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。
【００４６】
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第１の制御電圧調整手段と、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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを設けて構成する。
【００４７】
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、第１の制御電圧調整手段に供給される。第１の制御電圧調整手段は、上記測定電圧に基づいて上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、所定のガス成分を上記制御電圧のレベルに応じた量ほど汲み出す。上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の空間における上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。
【００４８】
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を、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上記所定のガス成分の汲み出し量が変化して、第１の空間内における上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、上記フィードバック制御での発振現象は抑制される。
【００４９】
上記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が、この発明においては、第２の制御電圧調整手段において、ガスポンプ手段に流れる電流を検出して、その電流値を第１の制御電圧調整手段でのレベル調整に反映させるようにしているため、上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を精度よく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、上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】
ところで、第１の制御電圧調整手段による調整動作によって、制御電圧が例えばステップ状に変化した場合、ガスポンプ手段に瞬間的に大電流が流れ、これにより、第２の制御電圧調整手段においてスパイク状のノイズが発生する場合がある。この第２の制御電圧調整手段を正帰還形の調整回路として構成した場合、上記スパイク状のノイズによって発振が生じるおそれがある。
【００５１】
しかし、本発明においては、第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段を設けていることから、上記スパイク状のノイズを有効に抑制することができ、第２の制御電圧調整手段での発振を防止することができる。これは、第１の制御電圧調整手段での制御電圧に対する調整の高精度化につながり、第１の空間に導入された被測定ガスにおける上記所定のガス成分の濃度を精度よく測定することが可能となる。
【００５２】
そして、上記構成において、前記第１の制御電圧調整手段に、前記両端電圧と比較電圧との偏差をとる比較手段を設け、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、上記両端電圧が上記比較電圧に収束されるように上記制御電圧がフィードバック制御されることとなる。
【００５３】
また、上記構成において、前記第２の制御電圧調整手段として、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て電圧に変換する抵抗と、該抵抗の両端電圧を所定のゲインにて増幅して前記比較電圧に重畳させる増幅器を設けるようにしてもよい。これにより、前記ガスポンプ手段による前記所定のガス成分の汲み出しの際に発生する電流が抵抗に流れることによって、該抵抗に電圧降下が生じ、この電圧降下分の電圧が増幅器において所定のゲインにて増幅されて前記第１の制御電圧調整手段における比較電圧に重畳されることとなる。即ち、ガスポンプ手段のインピーダンスによる電圧降下分が第１の制御電圧調整手段での制御電圧に対する調整に反映されることとなり、ガスポンプ手段のインピーダンスに基づく誤差が有効に吸収され、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る。
【００５４】
一方、前記スパイク抑制手段としては、前記抵抗の両端に接続される容量を設けるようにしてもよい。この場合、前記抵抗と容量との時定数によって、フィードバック制御系に比例積分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク状のノイズは有効に抑制されることとなる。
【００５５】
前記スパイク抑制手段としては、前記構成のほかに、前記抵抗と前記増幅器間に接続される容量を設けるようにしてもよいし、前記増幅器と前記比較電圧の発生源との間に接続される容量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。
【００５６】
【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１６を参照しながら説明する。
【００５７】
まず、本実施の形態に係るガスセンサを説明する前に、本発明に係るガスセンサを着想するに至るまでに作製された一つのガスセンサ（以下、便宜的に比較例に係るガスセンサと記す）の構成について説明する。
【００５８】
この比較例に係るガスセンサは、図１に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン伝導性固体電解質を用いたセラミックからなる例えば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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、上記ガス導入空間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。
【００６２】
上記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、上記ガス導入空間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、上記第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。
【００６３】
また、第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、上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。
【００６４】
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。
【００６５】
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、上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。
【００６６】
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、上記両ポンプ電極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。
【００６７】
一般には、上記内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に、上記電位差計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、上記酸素ポンプ２２は、上記ポンプ電圧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、上記ガス導入空間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。
【００６８】
そして、上記比較例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上記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構成している。
【００６９】
具体的には、上記比較例に係るガスセンサは、図２に示すように、上記基準電極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いる。
【００７０】
この場合、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、上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。
【００７１】
なお、上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間の両端電圧が上記基準電圧Ｖｂと同じレベルに収束されるように上記ポンプ電圧Ｖｐ（出力電圧）がフィードバック制御されることとなる。
【００７２】
また、上記比較例に係るガスセンサにおいては、上記構成に加えて、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４０）との間に増幅器４２（オペアンプ）が挿入接続されて構成されている。具体的には、増幅器４２の非反転端子に抵抗Ｒの上記一端が接続され、増幅器４２の反転端子は接地とされ、増幅器４２の出力端子は、電源４０の負極に接続されて構成されている。
【００７３】
つまり、この比較例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、増幅器４２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。
【００７４】
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（ポンプ電流）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。
しかし、この比較例に係るガスセンサにおいては、酸素ポンプ２２に流れるポンプ電流を抵抗Ｒにて電圧に変換し、該電圧を増幅器４２にて所定のゲインで増幅して補正電圧として電源４０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補正電圧として基準電圧に反映（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。
【００７５】
ところで、上記比較例に係るガスセンサにおいて、酸素ポンプ２２における外側ポンプ電極２４ｂと内側ポンプ電極２４ａ間に流れるポンプ電流が大きくなって、（基準電圧＋補正電圧）が高くなると、比較増幅器３２の出力電圧が高くなり、結果的にポンプ電流が増大するという正帰還となって、発振しやすいという状態となる。実際には、（酸素ポンプ２２のインピーダンス×ポンプ電流）に相当する電圧を補正をすることができないことが判明した。
【００７６】
図３の特性図はその様子を示したものであり、本実験では、酸素ポンプ２２のインピーダンスが、１００Ωになるように、酸素ポンプ２２の温度が調整されている。このときの内側ポンプ電極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、発振により、実際はその１／２の（１７．５Ω×ポンプ電流）しか補正できなかった。
【００７７】
従って、酸素ポンプ２２のインピーダンスが使用過程において増加すると、動作点が限流特性の平坦部から外れてしまう可能性がある。
【００７８】
本発明は、上記のような課題を解消するためになされたものであり、簡素な電子部品で、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、（酸素ポンプ２２のインピーダンス×ポンプ電流）に見合った分、あるいはそれ以上の補正をも可能にし、使用過程において酸素ポンプ２２のインピーダンスに増加があっても、限流特性の平坦部で動作ができるものである。
【００７９】
発振現象は、単に正帰還によることのみならず、酸素ポンプ２２のインピーダンスは図４のように構成され、容量成分を多く含んでいることによる。即ち、酸素ポンプ２２のインピーダンスは、抵抗Ｒ１と容量Ｃ１との並列接続による外側ポンプ電極２４ｂと第２の固体電解質層１０ｆとの界面抵抗Ｚ１と、抵抗Ｒ２と容量Ｃ２との並列接続による第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ2 粒子間の粒界抵抗Ｚ２と、抵抗Ｒによる第２の固体電解質層１０ｆにおけるＺｒＯ2 粒子抵抗Ｚ３と、抵抗Ｒ４と容量Ｃ４との並列接続による内側ポンプ電極２４ａと第２の固体電解質層１０ｆとの界面抵抗Ｚ４とが直列に接続された回路と等価であり、容量成分を多く含んでいる。
【００８０】
従って、図５に示すように、例えばポンプ電圧がステップ状に急激に上昇すると、ポンプ電流は、瞬時的に容量Ｃ１及び容量Ｃ２を通じて抵抗Ｒ３及び容量Ｃ４を流れて、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ４が無視されるため、大きな電流が流れ、ポンプ電圧が維持されていれば、時間経過と共に、容量Ｃ１、容量Ｃ２及び容量Ｃ４が充電され、結局、抵抗Ｒ１＋抵抗Ｒ２＋抵抗Ｒ３＋抵抗Ｒ４で定まる電流値に落ち着く。
【００８１】
つまり、基準電圧Ｖｂに重畳される補正電圧は、瞬時的に大きな電圧となり、電流の落ち着きと共に、ある一定値に落ち着く。このポンプ電流のスパイク、ひいては補正電圧のスパイクにより、増幅器４２での正帰還電圧が急激に増大し、その結果、発振に至るおそれがある。
【００８２】
本発明では、上記ポンプ電流のスパイクを抑えることによって、発振現象の発生を抑制し、補正可能領域（補正可能なダイナミックレンジ）を拡大し、併せて使用過程における酸素ポンプ２２のインピーダンスの増大による精度の低下をも改善するものである。
【００８３】
次に、第１の実施の形態に係るガスセンサについて図６〜図１１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。
【００８４】
この第１の実施の形態に係るガスセンサは、上記比較例に係るガスセンサとほぼ同じ構成を有するが、以下の点で異なる。即ち、ポンプ電流検出用の抵抗Ｒｉが比較増幅器３２の出力端と酸素ポンプ２２の外側ポンプ電極２４ｂとの間に挿入接続され、抵抗Ｒｉの両端がコンデンサＣで短絡され、更に該コンデンサＣの一方の電極が差動増幅器４４の非反転端子に接続され、他方の電極が差動増幅器４４の反転端子に接続されているという点で上記比較例に係るガスセンサと異なる。
【００８５】
この実施の形態に係るガスセンサにおいては、上記抵抗ＲｉとコンデンサＣとの時定数によって、ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御系に比例積分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、上記差動増幅器４４の出力電圧、即ち補正電圧に発生するスパイク状のノイズは有効に抑制されることとなる。
【００８６】
例えば、ポンプ電流が高レベルに立ち上がった場合、その立ち上がり部分の電流によってコンデンサＣへの充電が行われるが、本例の場合においては、まず、ポンプ電流のスパイク状の部分によってコンデンサＣの充電が行われるため、後段の差動増幅器４４に印加される電圧波形は、ほぼ矩形状の信号波形となる。つまり、上記コンデンサＣによって、ポンプ電流のスパイク状のノイズが抑圧され、結果として基準電圧に重畳される補正電圧へのスパイク状のノイズも抑圧されることとなる。これは、比較増幅器３２によるポンプ電圧Ｖｐに対する調整の高精度化につながり、ガス導入空間１８に導入された被測定ガスの酸素濃度を精度よく測定することが可能となる。
【００８７】
ここで、本実施の形態に係るガスセンサ（実施例）と上記比較例に係るガスセンサ（比較例）の限流特性に関する一つの実験について説明する。この実験による比較例の限流特性を図７に、実施例の限流特性を図８に示す。この実験においては、酸素ポンプ２２のインピーダンスが１００Ωになるように加熱して行った。このとき、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。実験を分かり易くするため、差動増幅器４４の増幅度を１とした。
【００８８】
比較例の場合は、抵抗Ｒの抵抗値を１８Ω以上とすると発振するため、理想値３５Ωの１／２の１７．５Ωとした。従って、補正量は理想値の１／２になるが、これでも、従来例に係るガスセンサ（図２１の特性図参照）と比較すると大きく改善されていることが理解できる。これは、従来例に係るガスセンサでは、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のに対し、比較例及び実施例では、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧に基づくポンプ電圧Ｖｐの制御のため、次式のＺ１，Ｚ２，Ｚ３が無視できることとなり、補正すべき電圧降下分が大きく低減された効果によるからである。
【００８９】
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
コンデンサＣを付けた場合（コンデンサＣの容量は３００μＦ）、ポンプ電流検出用抵抗Ｒｉの抵抗値を３５Ωに設定しても、発振は起こらなかったため、３５Ωと設定したが、理想値３５Ωに対して、約５０％増の５０Ω近くが発振発生の限界点であることを確認した。
【００９０】
図８から明らかなように、コンデンサＣを付けた場合は理想の補正ができ、酸素濃度が大きく変化しても、動作点を同じ起電力分の点で、動作させることができる。
【００９１】
図９〜図１１の特性図は、２．０Ｌの直列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り、図９は従来例に係るガスセンサの場合を示し、図１０は比較例に係るガスセンサ（比較例）の場合を示し、図１１は本実施の形態に係るガスセンサ（実施例）の場合を示す。また、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。図１０及び図１１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。
【００９２】
図９〜図１１の特性図から、従来例に係るガスセンサでは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、内側ポンプ電極２４ａと基準電極２６間の電圧に基づくポンプ電圧Ｖｐの制御と、コンデンサＣによる発振防止に基づく補正電圧の理想値化の相乗効果により、被測定ガス中の酸素濃度がほぼ大気の２０％でも、依然として平坦部の起電力分３２０ｍＶ近傍での動作が可能であり、本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。
【００９３】
また、一般に、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る。本実施の形態に係るガスセンサによれば、外側ポンプ電極２４ｂを無視した補正であるのに加え、理想値に近い補正ができるため、その相乗効果により、使用過程における酸素ポンプ２２のインピーダンスの増大があっても、簡素な構成で、高い精度を維持できる。
【００９４】
次に、第１の実施の形態に係るガスセンサのいくつかの変形例について図１２〜図１４を参照しながら説明する。なお、図６と対応するものについては同符号を記して、その重複説明を省略する。
【００９５】
まず、第１の変形例に係るガスセンサは、図１２に示すように、図６に示す本実施の形態に係るガスセンサとほぼ同じ構成を有するが、コンデンサＣが、差動増幅器４４の出力端と接地間に接続されている点で異なる。この第１の変形例に係るガスセンサにおいても、上記実施の形態に係るガスセンサと同様の効果が得られる。この場合、差動増幅器４４の出力インピーダンスは一般的に非常に低いため、十分なスパイク除去効果を出すためには、コンデンサＣの容量を大きく設定する必要があり、以下に示すように第２の変形例及び第３の変形例の構成を採用することが望ましい。
【００９６】
即ち、第２の変形例に係るガスセンサにおいては、図１３に示すように、差動増幅器４４の出力端と基準電圧Ｖｂの発生源（電源４０）との間に抵抗Ｒを挿入接続し、該抵抗Ｒの電源４０側端と接地間にコンデンサＣを接続する。
【００９７】
この場合、ＣＲで構成される時定数は、コンデンサＣなしで発振したときの発振周期の１／５以上にすると効果的である。上記実験と同じサンプルで確認したところ、発振周期５０ｍｓｅｃに対して、抵抗Ｒを１０ｋΩ、コンデンサＣを１μＦにしたとき、即ち、時定数１０ｍｓｅｃで発振が停止した。
【００９８】
また、第３の変形例に係るガスセンサにおいては、図１４に示すように、差動増幅器４４の非反転入力端に直列抵抗Ｒを接続し、その後段における上記差動増幅器４４の非反転入力端子と反転入力端子間にコンデンサＣを接続する。この場合のＣＲで構成される時定数は、上記第２の変形例に係るガスセンサの場合とほぼ同じである。
【００９９】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサについて図１５を参照しながら説明する。
【０１００】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、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上記第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５０及び５２が挟設されている点で異なる。
【０１０１】
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５０及び５２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５４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５２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５６が区画、形成される。上記第１室５４及び第２室５６は、上記第２の拡散律速部５２を介して連通されている。
【０１０２】
また、上記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、上記第２室５６を形づくる上面には、後述する第２の酸素ポンプ５８を構成するための一方の電極（上側ポンプ電極６０ａ）が形成され、上記第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、かつ上記基準電極２６とは別の箇所に第２の酸素ポンプ５８を構成するための他方の電極（下側ポンプ電極６０ｂ）が形成されている。
【０１０３】
ここで、上記第１及び第２の拡散律速部５０及び５２は、第１室５４及び第２室５６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。
【０１０４】
このガスセンサにおいても、第１室５４における内側ポンプ電極２４ａ及び外側ポンプ電極２４ｂ間に、上記電位差計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、上記酸素ポンプ２２は、上記ポンプ電圧Ｖｐの印加によって、第１室５４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、上記第１室５４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５４、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６２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５６において行われることになる。
【０１０５】
この第２の実施の形態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６２における酸素ポンプ２２によって第１室５４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。
【０１０６】
第１室５４における酸素濃度の検出は、上記第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に近づくように、即ち、第１室の酸素濃度がほぼ０となるように上記ポンプ電圧Ｖｐが制御されて酸素ポンプ２２に印加されることになる。
【０１０７】
これによって、第１室５４には一酸化窒素（ＮＯ）が残る。第１室５４に残ったＮＯは第２の拡散律速部５２を通って次の第２室５６に流れ込む。この第２室５６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６０ａ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。
【０１０８】
この酸素Ｏの測定は、上側ポンプ電極６０ａと下側ポンプ電極６０ｂ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６０ｂと上側ポンプ電極６０ａ間にポンプ電源６４を第２室５６から酸素Ｏ2 を汲み出す方向に接続する。このとき、第２室５６に酸素がなければ、上記両電極６０ａ及び６０ｂ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６０ａ及び６０ｂ間に電流は流れず、第２室５６に酸素があれば、酸素の汲み出し動作によって上記両電極６０ａ及び６０ｂ間に電流が流れることになる。従って、ポンプ電源６４に直列に電流計６６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５６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。
【０１０９】
つまり、この第２の実施の形態に係るガスセンサは、第１室５４で被測定ガス中の酸素濃度を低い値で一定にし、第２室５６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５８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。
【０１１０】
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５６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。
【０１１１】
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５４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５６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。
【０１１２】
そして、この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいても、上記第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６２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との差分をとって、その差分電圧によって上記ポンプ電圧Ｖｐを制御するように構成している。
【０１１３】
具体的には、この第２の実施の形態に係るガスセンサは、図１６に示すように、上記基準電極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を有し、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、ポンプ電流検出用の抵抗Ｒｉが比較増幅器３２の出力端と酸素ポンプ２２の外側ポンプ電極２４ｂとの間に挿入接続され、上記ポンプ電流検出用抵抗Ｒｉの両端がコンデンサＣで短絡され、更に該コンデンサＣの一方の電極が差動増幅器４４の非反転端子に、他方の電極が差動増幅器４４の反転端子に接続されて構成されている。
【０１１４】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいても、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５４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、上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。
【０１１５】
また、上記ポンプ電流検出用の抵抗ＲｉとコンデンサＣとの時定数によって、ポンプ電圧Ｖｐに対するフィードバック制御系に比例積分動作の位相補償回路が挿入接続されたかたちとなり、上記差動増幅器４４の出力電圧、即ち補正電圧に発生するスパイク状のノイズは有効に抑制されることとなる。これは、比較増幅器３２によるポンプ電圧Ｖｐに対する調整の高精度化につながり、第１室５４に導入された被測定ガスの酸素濃度を精度よく測定することが可能となる。
【０１１６】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいては、上記第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変形例、第２の変形例又は第３の変形例の構成を採用することができる。
【０１１７】
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。
【０１１８】
【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第１の制御電圧調整手段と、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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを設けるようにしている。
【０１１９】
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、しかも、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、酸素濃度を精度よく検出することができるという効果が達成される。
【０１２０】
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第１の制御電圧調整手段と、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、その電流値を前記第１の制御電圧調整手段での前記制御電圧のレベル調整に反映させる第２の制御電圧調整手段と、前記第２の制御電圧調整手段に発生するスパイク信号を抑制するスパイク抑制手段とを設けるようにしている。
【０１２１】
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、しかも、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、酸素濃度を精度よく検出することができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るガスセンサを着想するに至るまでに作製された１つのガスセンサ（以下、単に比較例に係るガスセンサと記す）の概略構成を示す構成図である。
【図２】比較例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】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４】酸素ポンプのインピーダンスを示す等価回路図である。
【図５】補正電圧にスパイク状のノイズが発生する要因を示す波形図である。
【図６】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）の概略構成を示す構成図である。
【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、従来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、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１１】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１２】第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変形例を示す構成図である。
【図１３】第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の変形例を示す構成図である。
【図１４】第１の実施の形態に係るガスセンサの第３の変形例を示す構成図である。
【図１５】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）の概略構成を示す構成図である。
【図１６】第２の実施の形態に係るガスセンサの具体的構成を示す構成図である。
【図１７】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を示す構成図である。
【図１８】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１９】他の従来例に係るガスセンサを示す構成図である。
【図２０】他の従来例に係るガスセンサの限流特性を示す特性図である。
【図２１】酸素ポンプを酸素濃度制御器として利用する場合における限流特性を示す特性図である。
【図２２】酸素ポンプを利用した従来の全領域型の酸素センサを示す構成図である。
【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
４４…差動増幅器                Ｒｉ…ポンプ電流検出用の抵抗
Ｃ…コンデンサ
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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