(57)【要約】【課題】センサ電流の検出と素子インピーダンスの測定とを切り替えて行うモニタセルにおいて、センサ電流の検出精度を向上させることができ、しいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができるガス濃度検出装置を提供すること。【解決手段】ガス濃度検出装置１のモニタセル２Ｃにおいては、センサ電流検出回路６に設けたセンサ電流検出用抵抗Ｒｍに流れるセンサ電流を検出する一方、インピーダンス測定回路７により、電圧掃引時に、センサ電流検出回路６に設けたインピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流変化を検出して、素子インピーダンスの測定を行う。インピーダンス測定回路７においては、センサ電流を検出する際に、バッファ用オペアンプＯＰ７により、高周波ノイズ等の交流ノイズによる影響を受けてダイオードＤ１に流れるクランプ電流がセンサ電流検出用抵抗Ｒｍへ流れ込むことを防止する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子を有し、
該ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え排ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ＮＯｘ活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ＮＯｘ不活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の排ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセンサセルとを構成してなるガス濃度検出装置において、
上記モニタセルは、その素子インピーダンス（又は素子アドミタンス、以下同様。）の測定を兼用するセルとし、当該モニタセルの一方の電極には、基準電圧源を接続し、当該モニタセルの他方の電極には、センサ電流検出回路を接続してなり、
該センサ電流検出回路は、指令電圧源と、
該指令電圧源による電圧を上記モニタセルの他方の電極に印加するための電流検出用オペアンプと、
該電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間に設けたセンサ電流検出用抵抗と、
該センサ電流検出用抵抗に流れる電流を検出するためのセンサ電流検出手段と、
上記電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間において上記センサ電流検出用抵抗と並列に接続したインピーダンス測定用抵抗と、
該インピーダンス測定用抵抗を設けた切替用配線の導通状態と非導通状態とを切り替えるためのスイッチング素子とを有しており、
上記指令電圧源には、上記スイッチング素子によって上記切替用配線を導通させた状態において、上記電流検出用オペアンプに上記素子インピーダンスを測定するための交流電圧を印加する掃引手段が設けてあり、
上記切替用配線には、上記掃引手段による上記交流電圧の印加によって上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化を測定するためのインピーダンス測定回路が接続してあり、
該インピーダンス測定回路を構成するインピーダンス測定用配線には、上記素子インピーダンスの測定に不要なノイズを除去するためのハイパスフィルタと、
上記スイッチング素子のスイッチングを行う際に生ずるノイズを除去するために、上記インピーダンス測定用配線とグラウンド電位との間に、アノード端子をグラウンド電位側にして接続したダイオードと、
上記ハイパスフィルタ及び上記ダイオードの下流側に接続し、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧の最大値を保持するためのピークホールド手段とが設けてあり、
上記インピーダンス測定用配線において、上記ハイパスフィルタの上流側には、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧を上記ハイパスフィルタへ出力するバッファ用オペアンプが設けてあり、
上記センサ電流検出手段によって上記センサ電流検出用抵抗に流れる電流を検出する際に、上記バッファ用オペアンプにより、交流ノイズによる影響を受けて上記ダイオードに流れるクランプ電流が上記センサ電流検出用抵抗へ流れ込むことを防止したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
請求項１において、上記切替用配線には、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧を監視するための電圧モニタ用オペアンプが、上記インピーダンス測定回路と並列に接続してあり、
上記電圧モニタ用オペアンプは、上記バッファ用オペアンプを兼用していることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
請求項１又は２において、上記ピークホールド手段は、上記ハイパスフィルタ及び上記ダイオードの下流側に接続したボルテージフォロアを構成するピークホールド用オペアンプと、該ピークホールド用オペアンプの出力端子とグラウンド電位との間に接続したピーク電圧検出用コンデンサと、該ピーク電圧検出用コンデンサから上記ピークホールド用オペアンプの出力端子への電流リークを防止するためのダイオードとを有していることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項において、上記電流検出用オペアンプは、上記指令電圧源による電圧を上記モニタセルの他方の電極に印加するボルテージフォロアを構成しており、
上記センサ電流検出用抵抗は、上記電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間に接続してあり、
上記指令電圧源による電圧は、上記基準電圧源による電圧よりも低く設定してあり、
上記センサ電流検出手段は、上記モニタセルの他方の電極から上記センサ電流検出用抵抗を経由して上記電流検出用オペアンプの出力端子へ流れるセンサ電流を、上記センサ電流検出用抵抗の抵抗値と、上記センサ電流検出用抵抗の両端の電圧の差分とに基づいて求めるよう構成してあることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項において、上記ガスセンサ素子には、通電によって発熱するヒータ素子が積層してあり、
該ヒータ素子には、制御用マイコンからの指令を受けて当該ヒータ素子へ通電を行い、上記ガスセンサ素子の温度を制御するためのヒータ出力回路が接続してあり、
上記制御用マイコンは、上記インピーダンス測定回路における上記ピークホールド手段からの出力電圧を受けて、上記モニタセルにおける素子インピーダンスを求め、該素子インピーダンスの値に基づいて、上記ヒータ出力回路へ出力する信号を変化させるよう構成してあることを特徴とするガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度検出装置に関し、特に、ポンプセル又はモニタセルのガスセンサ素子の素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するインピーダンス測定回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、車両の排ガス等の被測定ガス中に含まれるＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出する際には、固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子によって、被測定ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセンサセルとを構成したガス濃度検出装置を用いる。そして、ガス濃度検出装置においては、ポンプセルによって、被測定ガス中の残存酸素濃度を極力少なくし、この酸素濃度調整後の被測定ガスがセンサセル及びモニタセルに供給されたとき、センサセルに流れるセンサ電流とモニタセルに流れるセンサ電流との差分を検出することによって、ＮＯｘ濃度を求めている。
【０００３】
また、ガス濃度検出装置においては、ポンプセル、センサセル及びモニタセルのガスセンサ素子によるセンサ出力を安定させるために、ヒータ素子に通電を行って、当該ガスセンサ素子の温度を所定の温度に保つようにしている。
例えば、特許文献１のガス濃度検出装置においては、被検出ガス中の余剰酸素を排出するポンプセル（第１セル）と、余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流すセンサセル（第２セル）と、ポンプセル及びセンサセルを加熱するヒータとを備えるガス濃度センサを用い、制御回路によって、センサセルの内部抵抗（素子インピーダンス）を検出し、この検出した内部抵抗に基づいてヒータの通電を制御することが開示されている。また、制御回路は、センサセルの印加電圧を交流的に変化させて、センサセルの素子インピーダンスを検出し、この検出したセンサセルの素子インピーダンスに基づいてヒータの通電を制御している。これによれば、被検出ガスの温度変動や流速の変化があっても、常に所定のガス濃度検出精度を確保することができる。
【０００４】
また、特許文献２のガス濃度検出装置においては、モニタセルに流れる電流を検出していないタイミングを利用して、素子抵抗検出手段によってセンサ電流の検出から素子抵抗の検出に切り替え、モニタセルに対して所定の交流電圧を掃引して、モニタセルの素子抵抗を検出することが開示されている。また、モニタセルには、大小２種類の抵抗を並列接続してなる電流検出抵抗を接続し、センサ電流を検出する際の抵抗値と、素子抵抗を検出する際の抵抗値とを切り替えることが開示されている。
また、特許文献３のガス濃度検出装置においては、計測手段によって、交流変化付与手段によってセンサ素子に印加した交流電圧の変化を計測し、この交流電圧の変化におけるピーク電圧を、ピークホールド回路を介して取得することが開示されている。
【０００５】
ところで、ＭＯＳ型ＦＥＴ等のスイッチング素子によって、センサ電流の検出と、素子インピーダンスの検出とを切り替える際には、スイッチングによるノイズが発生するおそれがある。そのため、素子インピーダンスの測定回路においては、上記ノイズを吸収するためのダイオードを設けることが考えられる。
しかしながら、センサ電流を検出する際に、素子インピーダンスの測定回路はセンサ電流の検出回路と繋がっており、高周波ノイズ等の交流ノイズがモニタセルの電極等に乗ったときには、素子インピーダンスの測定回路に設けたダイオードに流れるクランプ電流がセンサ電流の検出回路に流れてしまうおそれがある。この場合には、センサ電流の検出精度が悪化してしまうおそれがある。特に、ＮＯｘ濃度を検出するガス濃度検出装置においては、ｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度を検出するために、数十〜数百ｎＡ程度の微小なセンサ電流を検出する必要があり、センサ電流の検出精度の悪化は深刻な問題となる。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１７１４３９号公報
【特許文献２】特開２００２−３７２５１４号公報
【特許文献３】特開２００６−３４３３０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、センサ電流の検出と素子インピーダンスの測定とを切り替えて行うモニタセルにおいて、センサ電流の検出精度を向上させることができ、しいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子を有し、
該ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え排ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセルと、ＮＯｘ活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の排ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセルと、ＮＯｘ不活性の電極を備え上記ポンプセルによって酸素濃度の調整を行った後の排ガス中の酸素濃度を監視するためのモニタセンサセルとを構成してなるガス濃度検出装置において、
上記モニタセルは、その素子インピーダンス（又は素子アドミタンス、以下同様。）の測定を兼用するセルとし、当該モニタセルの一方の電極には、基準電圧源を接続し、当該モニタセルの他方の電極には、センサ電流検出回路を接続してなり、
該センサ電流検出回路は、指令電圧源と、
該指令電圧源による電圧を上記モニタセルの他方の電極に印加するための電流検出用オペアンプと、
該電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間に設けたセンサ電流検出用抵抗と、
該センサ電流検出用抵抗に流れる電流を検出するためのセンサ電流検出手段と、
上記電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間において上記センサ電流検出用抵抗と並列に接続したインピーダンス測定用抵抗と、
該インピーダンス測定用抵抗を設けた切替用配線の導通状態と非導通状態とを切り替えるためのスイッチング素子とを有しており、
上記指令電圧源には、上記スイッチング素子によって上記切替用配線を導通させた状態において、上記電流検出用オペアンプに上記素子インピーダンスを測定するための交流電圧を印加する掃引手段が設けてあり、
上記切替用配線には、上記掃引手段による上記交流電圧の印加によって上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化を測定するためのインピーダンス測定回路が接続してあり、
該インピーダンス測定回路を構成するインピーダンス測定用配線には、上記素子インピーダンスの測定に不要なノイズを除去するためのハイパスフィルタと、
上記スイッチング素子のスイッチングを行う際に生ずるノイズを除去するために、上記インピーダンス測定用配線とグラウンド電位との間に、アノード端子をグラウンド電位側にして接続したダイオードと、
上記ハイパスフィルタ及び上記ダイオードの下流側に接続し、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧の最大値を保持するためのピークホールド手段とが設けてあり、
上記インピーダンス測定用配線において、上記ハイパスフィルタの上流側には、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧を上記ハイパスフィルタへ出力するバッファ用オペアンプが設けてあり、
上記センサ電流検出手段によって上記センサ電流検出用抵抗に流れる電流を検出する際に、上記バッファ用オペアンプにより、交流ノイズによる影響を受けて上記ダイオードに流れるクランプ電流が上記センサ電流検出用抵抗へ流れ込むことを防止したことを特徴とするガス濃度検出装置にある（請求項１）。
【０００９】
本発明のガス濃度検出装置は、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するものであると共に、モニタセルにおいて、センサ電流の検出と素子インピーダンス（又は素子アドミタンス、以下同様。）の測定とを切り替えて行うことができるものである。そして、センサ電流の検出を行う際に、インピーダンス測定回路からセンサ電流検出回路に高周波ノイズ等の交流ノイズによるノイズ電流が流れて、センサ電流の検出精度を悪化させることを防止する工夫を行っている。
【００１０】
具体的には、本発明のガス濃度検出装置は、モニタセルにおいて、センサ電流の検出と素子インピーダンスの測定とを行うよう構成してあり、センサ電流の検出を行う際には、センサ電流検出回路におけるスイッチング素子によって、インピーダンス測定用抵抗を設けた切替用配線を非導通状態にしておく。次いで、基準電圧源による電圧と指令電圧源による電圧との差分電圧が、モニタセルに印加されたときには、センサ電流検出回路におけるセンサ電流検出用抵抗には、例えば、数十〜数百ｎＡの微小なセンサ電流が流れる。そして、センサ電流検出手段により、センサ電流検出用抵抗に流れる電流を検出することができる。
【００１１】
このとき、センサ電流検出用抵抗を設けた切替用配線には、インピーダンス測定回路が繋がっており、高周波ノイズ等の交流ノイズがモニタセルの他方の電極等に乗り、インピーダンス測定回路におけるダイオードにクランプ電流が流れるときには、このクランプ電流を、インピーダンス測定回路におけるバッファ用オペアンプの出力端子へ吸収させることができる。
これにより、ダイオードに流れるクランプ電流が、センサ電流検出回路におけるセンサ電流検出用抵抗へ流れることを防止することができる。そのため、センサ電流検出手段によるセンサ電流の検出精度を向上させることができ、センサセルに流れるセンサ電流の電流値とモニタセルに流れるセンサ電流の電流値との差分より、ＮＯｘ濃度を求める際には、このＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【００１２】
また、モニタセルにおいて、素子インピーダンスの測定を行う際には、センサ電流検出回路におけるスイッチング素子によって、インピーダンス測定用抵抗を設けた切替用配線を導通状態にする。
次いで、指令電圧源に設けた掃引手段によって、電流検出用オペアンプに交流電圧を印加する。このとき、基準電圧源による電圧と、掃引手段による交流電圧との差分による電圧がモニタセルに印加され、モニタセル及びインピーダンス測定用抵抗に電流が流れる。そして、インピーダンス測定回路においては、ピークホールド手段によって、インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧の最大値を保持する。
【００１３】
より具体的には、インピーダンス測定用抵抗に流れる電流による電圧変化は、インピーダンス測定回路を構成するインピーダンス測定用配線において、バッファ用オペアンプを経由し、ハイパスフィルタによって、素子インピーダンスの測定に不要なノイズ（低周波ノイズ）が除去され、ダイオードによって、スイッチング素子のスイッチングを行う際に生ずるノイズが除去された後、ピークホールド手段によって電圧の最大値として保持される。そして、この電圧の最大値を用いて、モニタセルの素子インピーダンスを安定して測定することができる。
【００１４】
このように、本発明のガス濃度検出装置によれば、センサ電流の検出と素子インピーダンスの測定とを切り替えて行うモニタセルにおいて、センサ電流の検出精度を向上させることができ、しいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
上述した本発明における好ましい実施の形態につき説明する。
本発明において、上記インピーダンス測定用抵抗は、上記センサ電流検出用抵抗よりも抵抗値が小さいものを用いることが好ましい。特に、センサ電流検出用抵抗に流れるセンサ電流は、数十〜数百ｎＡであるのに対し、インピーダンス測定用抵抗に流れる掃引電流（交流電流）は、数ｍＡ程度であり、インピーダンス測定用抵抗とセンサ電流検出用抵抗とは、センサ電流と掃引電流との差に応じた抵抗値とすることができる。例えば、インピーダンス測定用抵抗の抵抗値は、数百Ωとすることができ、センサ電流検出用抵抗の抵抗値は、数百〜数千ｋΩとすることができる。
また、素子アドミタンス（Ｓ）は、素子インピーダンス（Ω）の逆数であり、上記インピーダンス測定回路においては、いずれを測定することもできる。
【００１６】
また、上記切替用配線には、上記インピーダンス測定用抵抗に流れる電流の変化により生じた電圧を監視するための電圧モニタ用オペアンプが、上記インピーダンス測定回路と並列に接続してあり、上記電圧モニタ用オペアンプは、上記バッファ用オペアンプを兼用することができる（請求項２）。
この場合には、電圧モニタ用オペアンプを流用することにより、バッファ用オペアンプを容易に形成することができる。
なお、バッファ用オペアンプは、電圧モニタ用オペアンプとは別に設けることもできる。
【００１７】
また、上記ピークホールド手段は、上記ハイパスフィルタ及び上記ダイオードの下流側に接続したボルテージフォロアを構成するピークホールド用オペアンプと、該ピークホールド用オペアンプの出力端子とグラウンド電位との間に接続したピーク電圧検出用コンデンサと、該ピーク電圧検出用コンデンサから上記ピークホールド用オペアンプの出力端子への電流リークを防止するためのダイオードとを有していることが好ましい（請求項３）。
この場合には、ピークホールド手段を容易に形成することができる。
【００１８】
なお、インピーダンス測定用配線において、ピークホールド手段の上流側には、インピーダンス測定回路において素子インピーダンスの測定を行わないときに、インピーダンス測定用配線をグラウンド電位にしておくためのスイッチング素子を設け、ピークホールド手段の下流側には、インピーダンス測定回路において素子インピーダンスの測定が終わったときに、ピークホールド手段によって保持した電圧をリセット（ほぼゼロ）にするためのスイッチング素子を設けることができる。
【００１９】
また、上記電流検出用オペアンプは、上記指令電圧源による電圧を上記モニタセルの他方の電極に印加するボルテージフォロアを構成しており、上記センサ電流検出用抵抗は、上記電流検出用オペアンプの出力端子と上記モニタセルの他方の電極との間に接続してあり、上記指令電圧源による電圧は、上記基準電圧源による電圧よりも低く設定してあり、上記センサ電流検出手段は、上記モニタセルの他方の電極から上記センサ電流検出用抵抗を経由して上記電流検出用オペアンプの出力端子へ流れるセンサ電流を、上記センサ電流検出用抵抗の抵抗値と、上記センサ電流検出用抵抗の両端の電圧の差分とに基づいて求めるよう構成することができる（請求項４）。
この場合には、センサ電流検出手段によって、センサ電流検出用抵抗に流れるセンサ電流を安定して求めることができる。
【００２０】
また、上記ガスセンサ素子には、通電によって発熱するヒータ素子が積層してあり、該ヒータ素子には、制御用マイコンからの指令を受けて当該ヒータ素子へ通電を行い、上記ガスセンサ素子の温度を制御するためのヒータ出力回路が接続してあり、上記制御用マイコンは、上記インピーダンス測定回路における上記ピークホールド手段からの出力電圧を受けて、上記モニタセルにおける素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を求め、該素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の値に基づいて、上記ヒータ出力回路へ出力する信号を変化させるよう構成することが好ましい（請求項５）。
この場合には、制御用マイコンは、素子インピーダンスの値から、センサ素子の温度を求めることができ、ヒータ出力回路及びヒータ素子によって、センサ素子の温度が、限界電流特性を安定して発揮するための所定の目標温度になるよう制御することができる。
【実施例】
【００２１】
以下に、本発明の実施例につき、図面と共に説明する。
本例のガス濃度検出装置１は、図１〜図３に示すごとく、酸素イオン透過性を有する固体電解質体の両表面にそれぞれ電極を設けてなるガスセンサ素子２と、通電によって発熱するヒータ素子３とを有している。ガス濃度検出装置１は、ガスセンサ素子２によって、ＮＯｘ不活性の電極２０１、２０２を備え被測定ガスＧ中の酸素濃度を調整するためのポンプセル２Ａと、ＮＯｘ活性の電極２０３及びＮＯｘ不活性の電極２０４を備えポンプセル２Ａによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガスＧ中のＮＯｘ濃度を測定するためのセンサセル２Ｂと、ＮＯｘ不活性の電極２０５、２０６を備えポンプセル２Ａによって酸素濃度の調整を行った後の被測定ガスＧ中の酸素濃度を監視するためのモニタセル２Ｃとを構成している。ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ、モニタセル２Ｃ及びヒータ素子３は、制御用マイコン８によって入出力の制御が可能である。
【００２２】
ここで、図１は、ガス濃度検出装置１の全体構成を概略的に示す図で、図２、図３は、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ、モニタセル２Ｃ及びヒータ素子３の回路構成を概略的に示す図である。また、図４は、センサ電流検出回路６の詳細を示し、図５は、インピーダンス測定回路７の詳細を示す図である。
【００２３】
図２、図４に示すごとく、モニタセル２Ｃは、その素子インピーダンス（又は素子アドミタンス、以下同様。）の測定を兼用するセルとする。モニタセル２Ｃの基準ガス側電極（一方の電極）２０６には、基準電圧源５２が接続してあり、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極（他方の電極）２０５には、センサ電流検出回路６が接続してある。
センサ電流検出回路６は、指令電圧源６１と、指令電圧源６１による電圧をモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に印加するための電流検出用オペアンプＯＰ２と、電流検出用オペアンプＯＰ２の出力端子とモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５との間に設けたセンサ電流検出用抵抗Ｒｍと、センサ電流検出用抵抗Ｒｍに流れる電流を検出するためのセンサ電流検出手段６３と、電流検出用オペアンプＯＰ２の出力端子とモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５との間においてセンサ電流検出用抵抗Ｒｍと並列に接続したインピーダンス測定用抵抗Ｒｉと、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉを設けた切替用配線６０１の導通状態と非導通状態とを切り替えるためのスイッチング素子ＴＲ１とを有している。
【００２４】
図４、図５に示すごとく、指令電圧源６１には、スイッチング素子ＴＲ１によって切替用配線６０１を導通させた状態において、電流検出用オペアンプＯＰ２に素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するための交流電圧を印加する掃引手段６２が設けてある。切替用配線６０１には、掃引手段６２による交流電圧の印加によってインピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化を測定するためのインピーダンス測定回路７が接続してある。ここで、図４における記号Ａは、図５における記号Ａと繋がっていることを示す。
【００２５】
図５に示すごとく、インピーダンス測定回路７を構成するインピーダンス測定用配線７０１には、素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の測定に不要な低周波ノイズを除去するためのハイパスフィルタ７１と、スイッチング素子ＴＲ１のスイッチングを行う際に生ずるノイズを除去するために、インピーダンス測定用配線７０１とグラウンド電位との間に、アノード端子をグラウンド電位側にして接続したダイオードＤ１と、ハイパスフィルタ７１及びダイオードＤ１の下流側に接続し、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化により生じた電圧の最大値を保持するためのピークホールド手段７２とが設けてある。
【００２６】
インピーダンス測定用配線７０１において、ハイパスフィルタ７１の上流側には、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化により生じた電圧をハイパスフィルタ７１へ出力するバッファ用オペアンプＯＰ７が設けてある。インピーダンス測定回路７においては、センサ電流検出手段６３によってセンサ電流検出用抵抗Ｒｍに流れる電流を検出する際に、バッファ用オペアンプＯＰ７により、高周波ノイズ等の交流ノイズによる影響を受けてダイオードＤ１に流れるクランプ電流がセンサ電流検出用抵抗Ｒｍへ流れ込むことを防止している。
【００２７】
以下に、本例のガス濃度検出装置１につき、図１〜図９と共に詳説する。
本例のガス濃度検出装置１は、エンジン等の内燃機関の排気管を流れる排ガス（被測定ガス）Ｇ中のＮＯｘ濃度を検出するものである。
ガスセンサ素子２としてのポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃと、ヒータ素子３とを備えたガスセンサ１０は、種々の構成にすることができる。本例においては、図１に示すごとく、ポンプセル２Ａは、第１の固体電解質体２１Ａの一方の表面に被測定ガスＧに曝される被測定ガス側電極２０１を設けると共に、この電極２０１に対向して、第１の固体電解質体２１Ａの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される基準ガス側電極２０２を設けて形成してある。ポンプセル２Ａの一対の電極２０１、２０２は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。
【００２８】
センサセル２Ｂは、第１の固体電解質体２１Ａにスペーサ２３を介して積層する第２の固体電解質体２１Ｂの一方の表面に被測定ガスＧに曝される電極２０３を設けると共に、この電極２０３に対向して、第２の固体電解質体２１Ｂの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される電極２０４を設けて形成してある。センサセル２Ｂにおいて、被測定ガスＧに曝される電極２０３は、ＮＯｘ活性の材料を用いて構成してあり、基準ガスＦに曝される電極２０４は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。
【００２９】
モニタセル２Ｃは、第２の固体電解質体２１Ｂの一方の表面に被測定ガスＧに曝される電極２０５を設けると共に、この電極２０５に対向して、第２の固体電解質体２１Ｂの他方の表面に基準ガスＦ（大気ガス等）に曝される電極２０６を設けて形成してある。モニタセル２Ｃの一対の電極２０５、２０６は、ＮＯｘ不活性の材料を用いて構成してある。
また、センサセル２Ｂとモニタセル２Ｃとは、第２の固体電解質体２１Ｂの両表面に隣接して設けてあり、それぞれの基準ガスＦに曝される電極２０４、２０６は、共通化してある。
【００３０】
また、図１に示すごとく、ヒータ素子３は、白金等によって形成したヒータ導体３を、絶縁性のセラミックス基板３１同士の間に挟持させて形成してある。ヒータ素子３は、第１の固体電解質体２１Ａに積層して設けてある。
第１の固体電解質体２１Ａと第２の固体電解質体２１Ｂとの間には、被測定ガスＧが供給されるチャンバー２４が形成してあり、このチャンバー２４に、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃの被測定ガスＧ側の電極２０１、２０３、２０５が曝されている。また、チャンバー２４内には、第２の固体電解質体２１Ｂに設けた多孔質拡散層２２及びピンホール２１１を経由して、被測定ガスＧが供給されるよう構成されている。
【００３１】
また、ガス濃度検出装置１においては、センサ駆動回路１００によって、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ、モニタセル２Ｃ及びヒータ素子３を駆動するよう構成されている。
センサ駆動回路１００は、ポンプセル２Ａにおいては、一対の電極２０１、２０２に電圧を印加して、被測定ガスＧ中の酸素濃度を、センサセル２Ｂ及びモニタセル２ＣにおけるｐｐｍオーダーのＮＯｘ濃度の検出に影響を及ぼさない所定の目標範囲内の酸素濃度にする。
【００３２】
具体的には、図３に示すごとく、ポンプセル２Ａの基準ガス側電極２０２には、制御用マイコン８の出力ポート（ＯＮ／ＯＦＦポート）ＯＵＴ４からのパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を受けて、当該ポンプセル２Ａに限界電流特性を維持するための所定範囲内の電圧を印加するよう構成したポンプセル出力回路４１が接続してある。また、ポンプセル２Ａの被測定ガス側電極２０１には、基準電圧源４３及びポンプセル入力回路４２が接続してある。ポンプセル２Ａには、ポンプセル出力回路４１における出力電圧と、基準電圧源４３による電圧との差分電圧が印加される。
そして、制御用マイコン８は、Ａ／Ｄ変換入力ポートＩＮ４から取り込んだポンプセル入力回路４２のポンプ電流検出用抵抗Ｒｐに流れる電流値に基づいて、ポンプセル２Ａにおける被測定ガスＧ中の酸素濃度を求めて、この酸素濃度を監視するよう構成してある。また、制御用マイコン８は、ポンプセル２Ａにおける酸素濃度が目標範囲内になるよう（電流値が目標範囲内になるよう）、ポンプセル２Ａの限界電流特性を維持する範囲内でパルス幅変調信号のデューティ比を変化させるよう構成してある。
【００３３】
また、センサ駆動回路１００は、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃに限界電流特性を示す所定の電圧を印加し、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃに流れる数十〜数百ｎＡの微小な電流を検出して、これらの電流値の差分を求めることによって、ＮＯｘ濃度を求めるよう構成されている。
具体的には、図２に示すごとく、センサセル２Ｂの基準ガス側電極２０４には、基準電圧源５２が接続してあり、センサセル２Ｂの被測定ガス側電極２０３には、ＮＯｘ電流検出回路５１が接続してある。ＮＯｘ電流検出回路５１は、ボルテージフォロアを構成するセンサ電流検出用オペアンプＯＰ１の出力端子と、センサセル２Ｂの被測定ガス側電極２０３との間に、ＮＯｘ電流検出用抵抗Ｒｓを設けてなる。ＮＯｘ電流検出用抵抗Ｒｓの両端は、差動増幅回路を構成するＮＯｘ用オペアンプＯＰ３の反転入力端子と非反転入力端子とに接続してあり、このＮＯｘ用オペアンプＯＰ３によって、ＮＯｘ電流検出用抵抗Ｒｓに流れる（センサセル２Ｂに流れる）ＮＯｘ電流（被測定ガス側電極２０３に存在するＮＯｘが残存酸素と反応した後に流れる電流）に基づいた電圧出力をするよう構成してある。
【００３４】
図２に示すごとく、モニタセル２Ｃにおいて、電流検出用オペアンプＯＰ２の出力端子に接続したセンサ電流検出用抵抗Ｒｍの両端は、差動増幅回路を構成する残存酸素用オペアンプＯＰ４の反転入力端子と非反転入力端子とに接続してあり、この残存酸素用オペアンプＯＰ４によって、センサ電流検出用抵抗Ｒｍに流れる（モニタセル２Ｃに流れる）残存酸素電流（被測定ガス側電極２０５に存在する残存酸素によって流れる電流）に基づいた電圧出力をするよう構成してある。残存酸素用オペアンプＯＰ４は、センサ電流検出手段６３を構成する。また、残存酸素用オペアンプＯＰ４の出力端子は、制御用マイコン８のＡ／Ｄ変換入力ポートＩＮ２に接続してあり、制御用マイコン８においては、モニタセル２Ｃにおける残存酸素濃度の検出、監視が可能になっている。
【００３５】
また、ＮＯｘ用オペアンプＯＰ３の出力と、残存酸素用オペアンプＯＰ４の出力とは、差動増幅回路を構成する照合用オペアンプＯＰ５の反転入力端子と非反転入力端子とに接続してある。この照合用オペアンプＯＰ５によって、ＮＯｘ電流に基づいた電圧と残存酸素電流に基づいた電圧との差分を演算して、この差分による電圧を出力するよう構成してある。照合用オペアンプＯＰ５の出力端子は、制御用マイコン８のＡ／Ｄ変換入力ポートＩＮ１に接続してあり、制御用マイコン８においては、被測定ガス中のＮＯｘ濃度の検出、監視が可能になっている。
【００３６】
図２に示すごとく、モニタセル２Ｃにおいて、インピーダンス測定回路７は、センサ電流の検出から素子インピーダンスの測定に切り替え、センサ電流の検出を行っていない時間帯を利用して、モニタセル２Ｃに所定の交流電圧を印加し、このモニタセル２Ｃに流れる交流電流の変化を検出することによって、素子インピーダンスを求めるよう構成されている。
素子インピーダンスの信号は、Ａ／Ｄ変換入力ポートＩＮ３から制御用マイコン８に取り込まれる。
【００３７】
図１に示すごとく、制御用マイコン８においては、ガスセンサ素子２（モニタセル２Ｃ）の温度Ｔ（℃）と、モニタセル２Ｃの素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）Ａｄｍ（Ω又はＳ）との関係マップ（グラフ）が形成してある。制御用マイコン８は、インピーダンス測定回路７におけるピークホールド手段７２からの出力電圧を受けて、この出力電圧とインピーダンス測定用抵抗Ｒｉ（本例では５１１Ω）とからモニタセル２Ｃの素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を求め、この素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の値より、この測定時点のガスセンサ素子２の温度を検出するよう構成してある。
【００３８】
図３に示すごとく、ヒータ素子３の一方の端子３０２には、通電用電圧源ＶＢが接続してあり、ヒータ素子３の他方の端子３０１には、制御用マイコン８の出力ポート（ＯＮ／ＯＦＦポート）ＯＵＴ５からのパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を受けてヒータ素子３への通電を行うようＯＮ／ＯＦＦ動作するヒータ出力回路３２が設けてある。
そして、制御用マイコン８は、素子インピーダンスの値に基づいて、ヒータ出力回路３２へのパルス幅変調信号のデューティ比を変化させ、ガスセンサ素子２の温度を、限界電流特性を安定して発揮するための所定の目標温度に制御するよう構成してある。また、制御用マイコン８は、ＰＩＤ制御等のフィードバック制御を行って、ガスセンサ素子２の温度が目標とする温度になるように、パルス幅変調制御を行う。
なお、制御用マイコン８は、上位のＥＣＵ（電子制御装置）との電気通信を行うよう構成されている。
【００３９】
次に、モニタセル２Ｃに設けたセンサ電流検出回路６につき、図４と共に詳説する。
同図に示すごとく、モニタセル２Ｃにおいて、電流検出用オペアンプＯＰ２は、指令電圧源６１による電圧をモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に印加するボルテージフォロアを構成している。センサ電流検出用抵抗Ｒｍは、電流検出用オペアンプＯＰ２の出力端子とモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５との間に接続してある。
また、電流検出用オペアンプＯＰ２の反転入力端子とモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５との間には、電流検出用オペアンプＯＰ２の保護用の抵抗Ｒ１が接続してある。切替用配線６０１に設けたスイッチング素子ＴＲ１は、２つのＮチャンネルのＭＯＳ型ＦＥＴのドレイン端子同士を接続して構成したものであり、２つのＭＯＳ型ＦＥＴのゲート端子は、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ３に接続してある。また、センサ電流検出回路６の出力端子とモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５との間には、センサ電流検出用抵抗Ｒｍとインピーダンス測定用抵抗Ｒｉとに並列に、ノイズ吸収用のコンデンサＣ１が設けてある。
【００４０】
センサ電流検出回路６における指令電圧源６１は、モニタセル２Ｃにおいてセンサ電流の検出を行う際には、電流検出用オペアンプＯＰ２の非反転入力端子及びモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に、回路用電源Ｖｃｃによる電圧（本例では５Ｖ）を、抵抗Ｒ６と抵抗Ｒ７及び抵抗Ｒ８との分圧によって定まる電圧（本例では４Ｖ）に変換して印加するよう構成してある。
また、センサ電流検出回路６の非反転入力端子と、抵抗Ｒ６及び抵抗Ｒ７との間の分圧中間点との間には、電流制限用の抵抗Ｒ９が設けてあり、センサ電流検出回路６の非反転入力端子は、ノイズ吸収用のコンデンサＣ２を介してグラウンド電位に接続してある。
【００４１】
モニタセル２Ｃにおいて、センサ電流の検出を行う際には、モニタセル２Ｃの基準ガス側電極２０６には、基準電圧源５２による電圧（本例では４．４Ｖ）が印加され、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５には、指令電圧源６１による電圧（本例では４Ｖ）が印加される。
また、センサ電流検出手段６３は、差動増幅回路を構成する残存酸素用オペアンプＯＰ４によって構成されており、残存酸素用オペアンプＯＰ４の反転入力端子には、センサ電流検出用抵抗Ｒｍの電流の流れの下流側端が接続してあり、残存酸素用オペアンプＯＰ４の非反転入力端子には、ボルテージフォロアを構成するオペアンプＯＰ６を介して、センサ電流検出用抵抗Ｒｍの電流の流れの上流側端が接続してある。残存酸素用オペアンプＯＰ４の出力端子は、制御用マイコン８のＡ／Ｄ変換入力ポートＩＮ２に接続してある。こうして、制御用マイコン８は、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５からセンサ電流検出用抵抗Ｒｍを経由して電流検出用オペアンプＯＰ２の出力端子へ流れるセンサ電流ｉ（図４に電流ｉの流れを示す。）を、センサ電流検出用抵抗Ｒｍの抵抗値（本例では１．５ＭΩ）と、センサ電流検出用抵抗Ｒｍの両端の電圧の差分とから求めるよう構成してある。
【００４２】
図４に示すごとく、指令電圧源６１に構成した掃引手段６２は、抵抗Ｒ６と並列になるよう設けたプラス側スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）ＴＲ２及び抵抗Ｒ４と、抵抗Ｒ７及び抵抗Ｒ８と並列になるよう設けたマイナス側スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）ＴＲ３及び抵抗Ｒ５とを有している。各スイッチング素子ＴＲ２、ＴＲ３のゲート端子は、それぞれ抵抗Ｒ２、Ｒ３を介して、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ１、ＯＵＴ２に接続してある。
【００４３】
そして、モニタセル２Ｃにおいて、素子インピーダンスの測定を行う際には、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ３からの出力信号によって、スイッチング素子ＴＲ１を導通させた後、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ１からの出力信号をＯＮにして、プラス側スイッチング素子ＴＲ２を導通させる。これにより、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ６との並列抵抗と、抵抗Ｒ７及び抵抗Ｒ８の直列抵抗との分圧による電圧（本例では４．２Ｖ）がモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に印加される。次いで、所定時間経過後、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ１からの出力信号をＯＦＦにすると共に、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ２からの出力信号をＯＮにして、マイナス側スイッチング素子ＴＲ３を導通させる。これにより、抵抗Ｒ６と、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ７及び抵抗Ｒ８との並列抵抗との分圧による電圧（本例では３．８Ｖ）がモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に印加される。その後、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ２からの出力信号をＯＦＦにする。
こうして、掃引手段６２により、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に、素子インピーダンスを測定するための交流電圧を印加することができる。
【００４４】
次に、モニタセル２Ｃに設けたインピーダンス測定回路７につき、図５と共に詳説する。
同図に示すごとく、本例のインピーダンス測定回路７を構成するインピーダンス測定用配線７０１は、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉの電流の流れの下流側端（インピーダンス測定用抵抗Ｒｉとスイッチング素子ＴＲ１との間）に接続してある。なお、図５における記号Ａは、図４における記号Ａと繋がっていることを示す。
インピーダンス測定用配線７０１においては、電流の流れの上流側から順に、バッファ用オペアンプＯＰ７、ハイパスフィルタ７１、ダイオードＤ１、ピークホールド手段７２及び増幅回路を構成する増幅用オペアンプＯＰ９が設けてある。
【００４５】
ハイパスフィルタ７１は、いわゆる一次フィルタであり、インピーダンス測定用配線７０１に設けたコンデンサＣ３と、コンデンサＣ３の下流側と、グラウンド電位との間に設けた抵抗Ｒ１０とによって構成してある。インピーダンス測定用配線７０１において、ハイパスフィルタ７１の下流側には、電流制限用の抵抗Ｒ１１が設けてあり、この抵抗Ｒ１１の下流側は、アノード端子をグラウンド電位側にしたダイオードＤ１を介してグラウンド電位に接続してある。
【００４６】
図５に示すごとく、インピーダンス測定用配線７０１において、ダイオードＤ１の接続位置の下流側は、電流制限用の抵抗Ｒ１２を介してピークホールド手段７２に接続してある。本例のピークホールド手段７２は、ボルテージフォロアを構成するピークホールド用オペアンプＯＰ８と、ピークホールド用オペアンプＯＰ８の出力端子とグラウンド電位との間に接続したピーク電圧検出用コンデンサＣ４と、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４からピークホールド用オペアンプＯＰ８の出力端子への電流リークを防止するためのダイオードＤ２とを有している。また、ダイオードＤ２とピーク電圧検出用コンデンサＣ４との間には、電流制限用の抵抗Ｒ１３が設けてある。
【００４７】
インピーダンス測定用配線７０１において、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４の下流側は、非反転増幅回路を構成する増幅用オペアンプＯＰ９の非反転入力端子に接続してある。増幅用オペアンプＯＰ９は、その反転入力端子とグラウンド電位との間に設けた抵抗Ｒ１５と、その反転入力端子と出力端子との間に設けた抵抗Ｒ１６とによって定まる増幅率で、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４に保持したピーク電圧を増幅する。増幅用オペアンプＯＰ９の出力端子は、制御用マイコン８のＡ／Ｄ変換入力ポートＩＮ３に接続してある。
【００４８】
また、図５に示すごとく、インピーダンス測定用配線７０１において、ピークホールド用オペアンプＯＰ８の上流側には、インピーダンス測定回路７において素子インピーダンスの測定を行わないときに、インピーダンス測定用配線７０１をグラウンド電位にしておくための測定停止用スイッチング素子ＴＲ４が設けてあり、ピークホールド用オペアンプＯＰ８の下流側には、インピーダンス測定回路７において素子インピーダンスの測定が終わったときに、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４によって保持した電圧をリセット（ほぼゼロ）にするためのリセット用スイッチング素子ＴＲ５が設けてある。
測定停止用スイッチング素子ＴＲ４及びリセット用スイッチング素子ＴＲ５の各ベース端子は、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ６、ＯＵＴ７に接続してある。
【００４９】
そして、モニタセル２Ｃにおいて素子インピーダンスの検出を行う際には、ピークホールド用オペアンプＯＰ８の非反転入力端子に印加される電圧は、ダイオードＤ２によってピークホールド用オペアンプＯＰ８の出力端子への電流リークを防止した状態で、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４に蓄えられる。そして、増幅用オペアンプＯＰ９によって所定の増幅率に増幅した状態で、制御用マイコン８のＡ／Ｄ変換入力ポートＩＮ３に取り込まれる。
また、ピーク電圧検出用コンデンサＣ４に蓄えた電圧をリセットする際には、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ６からの出力信号によって、リセット用スイッチング素子ＴＲ５を導通させることができ、素子インピーダンスの測定を行わないときに、制御用マイコン８の出力ポートＯＵＴ７からの出力信号によって、測定停止用スイッチング素子ＴＲ４を導通させておくことができる。
【００５０】
また、センサ電流検出回路６における切替用配線６０１には、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化により生じた電圧を監視するための電圧モニタ用オペアンプＯＰ１０が、上記インピーダンス測定回路７と並列に接続してある。電圧モニタ用オペアンプＯＰ１０の出力端子は、制御用マイコン８の入力ポートＩＮ５に接続してある。
なお、図６に示すごとく、バッファ用オペアンプＯＰ７は、電圧モニタ用オペアンプＯＰ１０を流用することにより、容易に形成することができる。すなわち、バッファ用オペアンプＯＰ７の出力端子から、入力ポートＩＮ５へのインピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化により生じた電圧を監視するための信号線を設けることができる。
【００５１】
図７は、素子インピーダンスの測定を行う際の動作を概略的に示す。
同図における上段は、素子インピーダンスの測定時に、掃引手段６２により発生させる掃引電圧を示し、同図における中段は、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに生じた変化電圧（電圧モニタ用オペアンプＯＰ１０の出力電圧）を示し、同図における下段は、ピークホールド手段７２におけるピーク電圧（ピークホールド用オペアンプＯＰ８の出力電圧）を示す。本例の基準電圧源５２の電圧は、４．４Ｖであり、実際にインピーダンス測定用抵抗Ｒｉに印加される電圧は、０．２Ｖと０．６Ｖとの間で変化する。そして、制御用マイコン８は、ピーク電圧に基づいて、モニタセル２Ｃの素子インピーダンスを求めることができる。
【００５２】
本例のガス濃度検出装置１は、ＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出するものであると共に、モニタセル２Ｃにおいて、センサ電流の検出と素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）の測定とを切り替えて行うことができるものである。そして、センサ電流の検出を行う際に、インピーダンス測定回路７からセンサ電流検出回路６に高周波ノイズ等の交流ノイズによるノイズ電流が流れて、センサ電流の検出精度を悪化させることを防止する工夫を行っている。
【００５３】
具体的には、本例のモニタセル２Ｃにおいて、センサ電流の検出を行う際には、センサ電流検出回路６におけるスイッチング素子ＴＲ１によって、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉを設けた切替用配線６０１を非導通状態にしておく。次いで、基準電圧源５２による電圧（本例では４．４Ｖ）と指令電圧源６１による電圧（本例では４Ｖ）との差分電圧が、モニタセル２Ｃに印加されたときには、センサ電流検出回路６におけるセンサ電流検出用抵抗Ｒｍには、例えば、数十〜数百ｎＡの微小なセンサ電流ｉが流れる。そして、センサ電流検出手段６３（上記残存酸素用オペアンプＯＰ４等）により、センサ電流検出用抵抗Ｒｍに流れる電流を検出することができる。
【００５４】
このとき、センサ電流検出用抵抗Ｒｍを設けた切替用配線６０１には、インピーダンス測定回路７が繋がっており、高周波ノイズ等の交流ノイズがモニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５等に乗り、インピーダンス測定回路７におけるダイオードＤ１にクランプ電流が流れるときには、このクランプ電流を、インピーダンス測定回路７におけるバッファ用オペアンプＯＰ７の出力端子へ吸収させることができる。
これにより、ダイオードＤ１に流れるクランプ電流が、センサ電流検出回路６におけるセンサ電流検出用抵抗Ｒｍへ流れることを防止することができる。そのため、センサ電流検出手段６３によるセンサ電流ｉの検出精度を向上させることができ、センサセル２Ｂに流れるセンサ電流（ＮＯｘ反応後の残存酸素電流）の電流値とモニタセル２Ｃに流れるセンサ電流（残存酸素電流）の電流値との差分より、ＮＯｘ濃度を求める際には、このＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【００５５】
また、モニタセル２Ｃにおいて、素子インピーダンスの測定を行う際には、センサ電流検出回路６におけるスイッチング素子ＴＲ１によって、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉを設けた切替用配線６０１を導通状態にする。
次いで、指令電圧源６１に設けた掃引手段６２によって、電流検出用オペアンプＯＰ２に交流電圧を印加する。このとき、基準電圧源５２による電圧（本例では４．４Ｖ）と、掃引手段６２による交流電圧（本例では４．２Ｖ又は３．８Ｖ）との差分による電圧がモニタセル２Ｃに印加され、モニタセル２Ｃ及びインピーダンス測定用抵抗Ｒｉに電流が流れる。そして、インピーダンス測定回路７においては、ピークホールド手段７２によって、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流の変化により生じたピーク電圧（電圧の最大値）を保持する。
【００５６】
より具体的には、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉに流れる電流による電圧変化は、インピーダンス測定回路７を構成するインピーダンス測定用配線７０１において、バッファ用オペアンプＯＰ７を経由し、ハイパスフィルタ７１によって、素子インピーダンスの測定に不要な低周波ノイズが除去され、ダイオードＤ１によって、スイッチング素子ＴＲ１のスイッチングを行う際に生ずるノイズが除去された後、ピークホールド手段７２においてピーク電圧として保持される。そして、この電圧の最大値を増幅して制御用マイコン８に取り込むことにより、制御用マイコン８においては、モニタセル２Ｃの素子インピーダンスを安定して測定することができる。
【００５７】
このように、本例のガス濃度検出装置１によれば、センサ電流の検出と素子インピーダンスの測定とを切り替えて行うモニタセル２Ｃにおいて、センサ電流の検出精度を向上させることができ、しいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。
【００５８】
（確認試験）
本確認試験においては、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５に高周波ノイズ等の交流ノイズ（正弦波ノイズ）が乗ったときに、上記インピーダンス測定回路７にバッファ用オペアンプＯＰ７がない場合（比較品）と、インピーダンス測定回路７にバッファ用オペアンプＯＰ７を設けた場合（発明品）とについて、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉ（及びセンサ電流検出用抵抗Ｒｍ）にノイズ電流が流れるかどうかのシミュレーションを行った。
図８は、比較品についてシミュレーションを行った結果を示し、図９は、発明品についてシミュレーションを行った結果を示す。両図は、上段が、モニタセル２Ｃの被測定ガス側電極２０５における電圧波形Ｖ１、中段が、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉの下流側端（インピーダンス測定用配線７０１の引出部）の電圧波形Ｖ２、下段が、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉへ流れるノイズ電流Ｉの波形をそれぞれ示す。
【００５９】
図８からわかるように、比較品においては、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉの下流側端の電圧波形Ｖ２は、ノイズ吸収用のダイオードＤ１からクランプ電流が流れることにより、電圧のマイナス成分がクランプされていることがわかる。そのため、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉの両端には、電圧の不均衡が生じ、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉへは、インピーダンス測定回路７からプラス成分のノイズ電流Ｉが流れてしまうことがわかる。そのため、このノイズ電流Ｉが、センサ電流検出用抵抗Ｒｍを用いたセンサ電流の検出に悪影響を与えてしまうことがわかる。
【００６０】
一方、図９からわかるように、発明品においては、ノイズ吸収用のダイオードＤ１の上流側にバッファ用オペアンプＯＰ７が設けてあることにより、インピーダンス測定用抵抗Ｒｉの両端には、いずれも正弦波ノイズが乗ることになり、電圧の不均衡が生じず、インピーダンス測定回路７からインピーダンス測定用抵抗Ｒｉ（及びセンサ電流検出用抵抗Ｒｍ）へ、ダイオードＤ１によるクランプ電流が流れてしまうことを防止することができる。
そのため、インピーダンス測定回路７にバッファ用オペアンプＯＰ７を設けることにより、センサ電流検出用抵抗Ｒｍを用いたセンサ電流の検出精度を向上できることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例における、ガス濃度検出装置の全体構成を概略的に示す構成図。
【図２】実施例における、センサセル及びモニタセルに接続した回路構成を概略的に示す説明図。
【図３】実施例における、ポンプセル及びヒータ素子に接続した回路構成を概略的に示す説明図。
【図４】実施例における、モニタセルにおけるセンサ電流検出回路を示す説明図。
【図５】実施例における、モニタセルにおけるインピーダンス測定回路を示す説明図。
【図６】実施例における、モニタセルにおける他のインピーダンス測定回路を示す説明図。
【図７】実施例における、素子インピーダンスの測定を行う際の動作を概略的に示す説明図。
【図８】確認試験における比較品について、ノイズ電流のシミュレーションを行った結果を示すグラフ。
【図９】確認試験における発明品について、ノイズ電流のシミュレーションを行った結果を示すグラフ。
【符号の説明】
【００６２】
１  ガス濃度検出装置
２  ガスセンサ素子
２Ａ  ポンプセル
２Ｂ  センサセル
２Ｃ  モニタセル
２１  固体電解質体
３  ヒータ素子
４１  ポンプセル出力回路
４２  ポンプセル入力回路
４３  基準電圧源
５１  ＮＯｘ電流検出回路
５２  基準電圧源
６  センサ電流検出回路
６０１  切替用配線
６１  指令電圧源
６２  掃引手段
６３  センサ電流検出手段
７  インピーダンス測定回路
７０１  インピーダンス測定用配線
７１  ハイパスフィルタ
７２  ピークホールド手段
８  制御用マイコン
ＯＰ２  モニタ電流検出用オペアンプ
ＯＰ４  残存酸素用オペアンプ
ＯＰ７  バッファ用オペアンプ
ＯＰ８  ピークホールド用オペアンプ
Ｒｍ  センサ電流検出用抵抗
Ｒｉ  インピーダンス測定用抵抗
ＴＲ１  スイッチング素子
Ｄ１  ダイオード
Ｃ４  ピーク電圧検出用コンデンサ
Ｆ  基準ガス
Ｇ  被測定ガス（排ガス）
【図１】
2008304383.tif 000003
【図２】
2008304383.tif 000004
【図３】
2008304383.tif 000005
【図４】
2008304383.tif 000006
【図５】
2008304383.tif 000007
【図６】
2008304383.tif 000008
【図７】
2008304383.tif 000009
【図８】
2008304383.tif 000010
【図９】
2008304383.tif 000011