(57)【要約】【課題】ヒータ駆動回路のスイッチング素子における通電開始時の立上り時間及び通電遮断時の立下り時間を適切に設定することができ、高周波ノイズの低減及び制御性の確保を両立す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は、ガスセンサ素子２、ヒータ素子３及びヒータ駆動回路４を備えている。ヒータ駆動回路４のスイッチング素子４１の信号端子Ｇには、第１抵抗Ｒ１を設けた第１信号線Ｌ１と、第１抵抗Ｒ１よりも抵抗値が小さい第２抵抗Ｒ２を設けた第２信号線Ｌ２とが並列接続してある。ヒータ駆動回路４は、ヒータ素子３への通電時には、第１信号線Ｌ１を通じてスイッチング素子４１を導通させることができる一方、ヒータ素子３への通電の遮断時には、第２信号線Ｌ２を通じてスイッチング素子４１の信号端子Ｇの放電を行うことができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素イオン導電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と、通電によって発熱するヒータ素子と、制御用マイコンからの指令を受けて上記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駆動回路とを備えたガス濃度検出装置において、
上記ヒータ駆動回路は、上記ヒータ素子の一端に接続した通電用電源と、上記ヒータ素子の他端に接続し、上記制御用マイコンからの指令を受けて上記ヒータ素子への通電を行うよう動作するスイッチング素子とを備えており、
該スイッチング素子の信号端子には、第１抵抗を設けた第１信号線と、上記第１抵抗よりも抵抗値が小さい第２抵抗を設けた第２信号線とが並列接続してあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成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、上記第２信号線には、上記スイッチング素子の信号端子の側にアノード端子を配置してダイオード素子が直列接続してあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第１信号線及び上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
請求項２において、上記第１信号線には、上記スイッチング素子の信号端子の側にカソード端子を配置してダイオード素子が直列接続してあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項４】
請求項１において、上記第２信号線には、該第２信号線の導通状態と非導通状態とを切り替えることができる切替手段が設けてあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記切替手段によって上記第２信号線を非導通状態にし、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記切替手段によって上記第２信号線を導通状態にし、該第２信号線及び上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項５】
請求項１において、上記スイッチング素子の信号端子には、上記第１信号線と上記第２信号線とを交互に導通させることができる切替手段が設けてあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記切替手段によって上記第１信号線を導通状態にして、該第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記切替手段によって上記第２信号線を導通状態にして、該第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか一項において、上記スイッチング素子は、ＭＯＳ型ＦＥＴであり、
上記制御用マイコンは、パルス幅変調信号によって上記ＭＯＳ型ＦＥＴをスイッチング動作させるよう構成してあり、
上記第１抵抗と上記第２抵抗とは、上記パルス幅変調信号によって上記ＭＯＳ型ＦＥＴから上記ヒータ素子に通電される各パルス電流のＯＮ時の電流値にオーバシュートがなく、かつＯＦＦ時の電流値が所定時間継続できる状態に設定してあることを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項７】
請求項６において、上記ヒータ駆動回路は、上記制御用マイコンからの上記パルス幅変調信号を受けてスイッチング動作する１段目のＮＰＮ型トランジスタと、該１段目のＮＰＮ型トランジスタのスイッチング動作を受けてスイッチング動作する２段目のＰＮＰ型トランジスタとを有しており、
上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのコレクタ端子は、回路用電源に接続してあり、上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのエミッタ端子は、エミッタ接地抵抗を介してグラウンド電位に接続してあり、
上記第１信号線及び上記第２信号線は、上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのエミッタ端子と、上記エミッタ接地抵抗との間から分岐して接続してあり、
上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線及び上記エミッタ接地抵抗を通じて上記ＭＯＳ型ＦＥＴのゲート端子の放電を行うことができるよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項８】
請求項６又は７において、上記ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え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、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被測定ガス中の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が構成してあり、
上記ポンプセル又は上記モニタセルには、該ポンプセル又は該モニタセルの素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するためのインピーダンス測定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よって測定した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、ガスセンサ素子とヒータ素子とを備えたガス濃度検出装置に関し、特に、ヒータ素子へ通電を行い、ガスセンサ素子の温度を制御するためのヒータ駆動回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、ＮＯｘ、ＣＯ、ＨＣ等の特定ガスの濃度を検出するよう構成されたガス濃度検出装置においては、酸素イオン導電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、センサセルのインピーダンスを検出し、この検出したセンサセルの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。
【０００３】
ところで、上記ヒータ素子の通電を行う際には、ヒータ駆動回路により、ＰＷＭ制御（パルス幅変調制御）等によってスイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦさせ、ヒータ素子への通電時間等を制御している。そして、スイッチング素子が導通状態（ＯＮ状態）になる場合と非導通状態（ＯＦＦ状態）になる場合とにおいては、スイッチング素子の信号端子における電圧の印加状態が異なる。
これにより、スイッチング素子の信号端子への通電を行うための抵抗に流れる電流の変化は、通電開始時と通電遮断時とにおいて異なることになる。しかしながら、従来のヒータ駆動回路においては、通電開始時と通電遮断時とにおいて、上記抵抗の値が固定されている。そのため、例えば、上記抵抗の値を小さくすると、電流の変化が速くなって高周波ノイズ（ラジオノイズ）が大きくなるおそれがある一方、上記抵抗の値を大きくすると、電流の変化が遅くなって制御性が悪化してしまうおそれがある（ＰＷＭ制御を行う際には、デューティ比のコントロールができなくなるおそれがある。）。
【０００４】
また、例えば、特許文献２の電圧形スイッチング素子制御方法においては、パワーＭＯＳＦＥＴのスイッチング制御を行う際に、ノイズの発生しやすい小電流域のみにおいて、パワーＭＯＳＦＥＴのゲート抵抗を大きくするように切り換えて、スイッチング時間を長くすることが開示されている。これによれば、上記小電流域においては、スイッチングに伴う電圧変化率を小さくして、ノイズの発生を低減することができる一方、大電流域においては、スイッチング損失の増加を抑制することができる。
しかしながら、引用文献２においても、通電開始時におけるスイッチング時間（立上り時間）と、通電遮断時におけるスイッチング時間（立下り時間）とを適切に設定するための工夫はなされていない。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−１７１４３９号公報
【特許文献２】特開平５−３２８７４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、ヒータ駆動回路のスイッチング素子における通電開始時の立上り時間及び通電遮断時の立下り時間を適切に設定することができ、高周波ノイズの低減及び制御性の確保を両立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】
【０００７】
本発明は、酸素イオン導電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と、通電によって発熱するヒータ素子と、制御用マイコンからの指令を受けて上記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駆動回路とを備えたガス濃度検出装置において、
上記ヒータ駆動回路は、上記ヒータ素子の一端に接続した通電用電源と、上記ヒータ素子の他端に接続し、上記制御用マイコンからの指令を受けて上記ヒータ素子への通電を行うよう動作するスイッチング素子とを備えており、
該スイッチング素子の信号端子には、第１抵抗を設けた第１信号線と、上記第１抵抗よりも抵抗値が小さい第２抵抗を設けた第２信号線とが並列接続してあり、
上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成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）。
【０００８】
本発明のガス濃度検出装置においては、ヒータ素子に通電を行うためのヒータ駆動回路のスイッチング素子において、通電開始時におけるスイッチング時間（立上り時間）と、通電遮断時におけるスイッチング時間（立下り時間）とを適切に設定するための工夫を行っている。
具体的には、本発明においては、ヒータ駆動回路のスイッチング素子の信号端子には、第１抵抗を設けた第１信号線と、第１抵抗よりも抵抗値が小さい第２抵抗を設けた第２信号線とを並列接続している。
【０００９】
そして、ヒータ駆動回路において、制御用マイコンからの指令を受けてヒータ素子へ通電を行い、ガスセンサ素子の温度を制御する際に、ヒータ素子への通電開始時には、第１信号線の第１抵抗を通じてスイッチング素子の信号端子へ通電し、スイッチング素子を導通させることができる。このとき、第１信号線の第１抵抗には、電源電圧等による電圧が印加される。そのため、第２抵抗よりも抵抗値が大きい第１抵抗を通じて、スイッチング素子の信号端子に通電することができる。これにより、ヒータ素子への通電開始時には、スイッチング素子の立上り時間（ＯＮ時の速度）をできるだけ遅くする（電流の変化を遅くする）ことができ、スイッチング時に生じる高周波ノイズを小さくすることができる。
【００１０】
一方、ヒータ素子への通電遮断時には、第２信号線の第２抵抗を通じてスイッチング素子の信号端子の放電を行うことができる。このとき、第２信号線の第２抵抗には、電源電圧等による電圧よりも低いスイッチング素子の通電遮断時における電圧が残っている。そのため、第１抵抗よりも抵抗値が小さい第２抵抗を通じて、スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができる。これにより、ヒータ素子への通電遮断時には、スイッチング素子の立下り時間（ＯＦＦ時の速度）をできるだけ速くする（電流の変化を速くする）ことができ、制御性を確保することができる。
【００１１】
それ故、本発明のガス濃度検出装置によれば、ヒータ駆動回路のスイッチング素子における通電開始時の立上り時間及び通電遮断時の立下り時間を適切に設定することができ、高周波ノイズの低減及び制御性の確保を両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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、上記第２信号線には、上記スイッチング素子の信号端子の側にアノード端子を配置してダイオード素子が直列接続してあり、上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第１信号線及び上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成することができる（請求項２）。
この場合には、第２信号線の第２抵抗に直列接続したダイオード素子を用いることによって、スイッチング素子の信号端子に対する通電開始時と通電遮断時との導通経路を異ならせることができる。そして、第１抵抗によって定まるスイッチング素子の通電開始時の立上り時間と、第１抵抗と第２抵抗との並列抵抗によって定まるスイッチング素子の通電遮断時の立下り時間とを適切に設定することができる。
【００１３】
上記第１信号線には、上記スイッチング素子の信号端子の側にカソード端子を配置してダイオード素子が直列接続してあり、上記ヒータ素子への通電時には、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うよう構成することもできる（請求項３）。
この場合には、第２信号線の第２抵抗に直列接続したダイオード素子を用いることによって、スイッチング素子の信号端子における通電開始時と通電遮断時との導通経路を異ならせることができる。そして、第１抵抗によって定まるスイッチング素子の通電開始時の立上り時間と、第２抵抗によって定まるスイッチング素子の通電遮断時の立下り時間とを適切に設定することができる。
【００１４】
また、上記第２信号線には、該第２信号線の導通状態と非導通状態とを切り替えることができる切替手段が設けてあり、上記ヒータ素子への通電時には、上記切替手段によって上記第２信号線を非導通状態にし、上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させることができる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記切替手段によって上記第２信号線を導通状態にし、該第２信号線及び上記第１信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うことができるよう構成することもできる（請求項４）。
この場合には、第２信号線に設けた切替手段を用いることによって、スイッチング素子の信号端子に対する通電開始時と通電遮断時との導通経路を異ならせることができる。そして、第１抵抗によって定まるスイッチング素子の通電開始時の立上り時間と、第１抵抗と第２抵抗との並列抵抗によって定まるスイッチング素子の通電遮断時の立下り時間とを適切に設定することができる。
【００１５】
また、上記スイッチング素子の信号端子には、上記第１信号線と上記第２信号線とを交互に導通させることができる切替手段が設けてあり、上記ヒータ素子への通電時には、上記切替手段によって上記第１信号線を導通状態にして、該第１信号線を通じて上記スイッチング素子を導通させる一方、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記切替手段によって上記第２信号線を導通状態にして、該第２信号線を通じて上記スイッチング素子の信号端子の放電を行うよう構成することもできる（請求項５）。
この場合には、第１信号線と第２信号線とを交互に導通させることができる切替手段を用いることによって、スイッチング素子の信号端子に対する通電開始時と通電遮断時との導通経路を異ならせることができる。そして、第１抵抗によって定まるスイッチング素子の通電開始時の立上り時間と、第２抵抗によって定まるスイッチング素子の通電遮断時の立下り時間とを適切に設定することができる。
【００１６】
また、上記スイッチング素子は、ＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳ型の電界効果トランジスタ）であり、上記制御用マイコンは、パルス幅変調信号によって上記ＭＯＳ型ＦＥＴをスイッチング動作させるよう構成してあり、上記第１抵抗と上記第２抵抗とは、上記パルス幅変調信号によって上記ＭＯＳ型ＦＥＴから上記ヒータ素子に通電される各パルス電流のＯＮ時の電流値にオーバシュートがなく、かつＯＦＦ時の電流値が所定時間継続できる状態に設定することが好ましい（請求項６）。
この場合には、第１抵抗と第２抵抗とを適切に設定して、高周波ノイズの低減及び制御性の確保を容易に両立させることができる。
また、この場合には、ＭＯＳ型ＦＥＴ（スイッチング素子）による通電遮断時において、ＭＯＳ型ＦＥＴのゲート端子（信号端子）に生じる寄生コンデンサに溜まった電荷を第２抵抗を通じて放電することができる。
また、上記スイッチング素子としては、ＭＯＳ型ＦＥＴ以外にも、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の電圧形のスイッチング素子を用いることができる。
【００１７】
また、上記ヒータ駆動回路は、上記制御用マイコンからの上記パルス幅変調信号を受けてスイッチング動作する１段目のＮＰＮ型トランジスタと、該１段目のＮＰＮ型トランジスタのスイッチング動作を受けてスイッチング動作する２段目のＰＮＰ型トランジスタとを有しており、上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのコレクタ端子は、回路用電源に接続してあり、上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのエミッタ端子は、エミッタ接地抵抗を介してグラウンド電位に接続してあり、上記第１信号線及び上記第２信号線は、上記２段目のＰＮＰ型トランジスタのエミッタ端子と、上記エミッタ接地抵抗との間から分岐して接続してあり、上記ヒータ素子への通電の遮断時には、上記第２信号線及び上記エミッタ接地抵抗を通じて上記ＭＯＳ型ＦＥＴのゲート端子の放電を行うことができるよう構成することができる（請求項７）。
この場合には、１段目のＮＰＮ型トランジスタのスイッチング動作を受けて、２段目のＰＮＰ型トランジスタをスイッチングさせることにより、回路用電源からＭＯＳ型ＦＥＴのゲート端子に、このＭＯＳ型ＦＥＴを導通させるための十分な電流を流すことができる。また、上記エミッタ接地抵抗の大きさも考慮して、ＭＯＳ型ＦＥＴ（スイッチング素子）の通電遮断時の立下り時間を適切に設定することができる。
なお、エミッタ接地抵抗の抵抗値は、上記第２抵抗の抵抗値よりも小さく設定することが好ましい。
【００１８】
また、上記ガス濃度検出装置においては、上記ガスセンサ素子によって、ＮＯｘ不活性の電極を備え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、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被測定ガス中の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が構成してあり、上記ポンプセル又は上記モニタセルには、該ポンプセル又は該モニタセルの素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するためのインピーダンス測定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よって測定した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することが好ましい（請求項８）。
【００１９】
この場合には、制御用マイコンは、上記インピーダンス測定回路によって測定したポンプセル又はモニタセルの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、ポンプセル又はモニタセルの温度を検出することができる。そして、制御用マイコンは、ポンプセル又はモニタセルの温度をガスセンサ素子の温度として、この温度が所定の温度になるようパルス幅変調信号のデューティ比（パルス幅）を変化させることができる。
【実施例】
【００２０】
以下に、本発明のガス濃度検出装置１にかかる実施例につき、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２に示すごとく、酸素イオン導電性を有する固体電解質体２１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、制御用マイコン７からの指令を受けてヒータ素子３へ通電を行いガスセンサ素子２の温度を制御するためのヒータ駆動回路４とを備えている。
図１に示すごとく、ヒータ駆動回路４は、ヒータ素子３のプラス端子（一端）Ｈ＋に接続した通電用電源ＶＢ（例えば、１１〜１７Ｖ）と、ヒータ素子３のマイナス端子（他端）Ｈ−に接続し、制御用マイコン７からの指令を受けてヒータ素子３への通電を行うよう動作するスイッチング素子４１とを備えている。
【００２１】
スイッチング素子４１の信号端子Ｇには、第１抵抗Ｒ１を設けた第１信号線Ｌ１と、第１抵抗Ｒ１よりも抵抗値が小さい第２抵抗Ｒ２を設けた第２信号線Ｌ２とが並列接続してある。ヒータ駆動回路４は、ヒータ素子３への通電時には、第１信号線Ｌ１を通じてスイッチング素子４１を導通させることができる一方、ヒータ素子３への通電の遮断時には、第２信号線Ｌ２を通じてスイッチング素子４１の信号端子Ｇの放電を行うことができるよう構成してある。
【００２２】
以下に、本例のガス濃度検出装置１につき、図１〜図６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。そして、図２に示すごとく、本例のガス濃度検出装置１は、ガスセンサ素子２によって、ＮＯｘ不活性の電極２０１、２０２を備え排ガス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排ガス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排ガスＧ中の酸素濃度を監視するためのモニタセンサセル２Ｂとを構成している。
【００２３】
また、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２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。
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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、図２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、排ガス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、排ガスＧが供給されるよう構成されている。
【００２６】
図１、図２に示すごとく、本例の制御用マイコン７は、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）によってスイッチング素子４１をスイッチング動作させるよう構成してある。
図１に示すごとく、本例のヒータ駆動回路４は、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号を受けてスイッチング動作する１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１と、この１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１のスイッチング動作を受けてスイッチング動作する２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２とを有している。
【００２７】
制御用マイコン７の出力ポートＰは、電流制限用の抵抗Ｒ４を介して１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１のベース端子Ｂに接続してあり、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１のベース端子Ｂとエミッタ端子Ｅとの間には、フィードバック用の抵抗Ｒ５が接続してある。１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１のエミッタ端子Ｅは、グラウンド電位に接続してあり、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１のコレクタ端子Ｃは、電流制限用の抵抗Ｒ６、Ｒ７を介して回路用電源Ｖｃｃ（例えば、５Ｖ）に接続してある。
２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２のベース端子Ｂは、電流制限用の抵抗Ｒ７を介して回路用電源Ｖｃｃに接続してあり、２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２のコレクタ端子Ｃは、回路用電源Ｖｃｃに直接接続してある。２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２のエミッタ端子Ｅは、エミッタ接地抵抗Ｒ３を介してグラウンド電位に接続してある。
【００２８】
図１に示すごとく、本例のスイッチング素子４１は、ＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴ（ＭＯＳ型の電界効果トランジスタ）４１である。第１信号線Ｌ１及び第２信号線Ｌ２は、２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２のエミッタ端子Ｅとエミッタ接地抵抗Ｒ３との間の導線部と、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇとの間に並列に接続してある。
本例の第２信号線Ｌ２には、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの側にアノード端子を配置してダイオード素子Ｄ２が、第２抵抗Ｒ２と直列に接続してある。ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のドレイン端子Ｄは、ヒータ素子３のマイナス端子Ｈ−に接続してあり、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のソース端子Ｓは、グラウンド電位に接続してある。
【００２９】
また、図２に示すごとく、ガス濃度検出装置１においては、センサ駆動回路６によって、ポンプセル２Ａ、センサセル２Ｂ及びモニタセル２Ｃを駆動するよう構成されている。センサ駆動回路６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、排ガスＧ中の酸素濃度を、ガスセンサ素子２が限界電流特性を示す所定の濃度にするよう構成されている。また、センサ駆動回路６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に流れるセンサ電流を検出して、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。
【００３０】
また、モニタセル２Ｃには、このモニタセル２Ｃを構成する一対の電極２０３、２０４及び第１の固体電解質体２１Ａによる素子インピーダンス（又は素子アドミタンス）を測定するためのインピーダンス測定回路６１が接続してある。このインピーダンス測定回路６１は、モニタセル２Ｃにおいて、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。
なお、素子インピーダンスの信号は、Ａ／Ｄ変換器を介して制御用マイコン７に取り込まれる。
【００３１】
同図に示すごとく、制御用マイコン７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７は、インピーダンス測定回路６１によって測定した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の温度を検出し、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、パルス幅変調信号のデューティ比（パルス幅）を変化させるよう構成してある。また、制御用マイコン７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７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。
【００３２】
次に、制御用マイコン７からのパルス幅変調信号によってヒータ素子３に通電し、ガスセンサ素子２の温度を目標温度に保つ動作について説明し、本例のガス濃度検出装置１による作用効果につき説明する。
図１において、制御用マイコン７からパルス幅変調信号のＯＮ時の電圧が、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１に印加されると、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１が導通状態（ＯＮ状態）になると共に２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２も導通状態（ＯＮ状態）になる。
【００３３】
そして、第１信号線Ｌ１の第１抵抗Ｒ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに電圧が印加され、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のドレイン端子Ｄとソース端子Ｓ間が導通して、通電用電源ＶＢによりヒータ素子３が通電される。このとき、第１信号線Ｌ１の第１抵抗Ｒ１には、回路用電源Ｖｃｃによる電圧が印加される。そのため、第２抵抗Ｒ２よりも抵抗値が大きい第１抵抗Ｒ１を通じて、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに通電することができる。これにより、図６に示すごとく、ヒータ素子３への通電開始時には、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１の立上り時間Ｔ１（ＯＮ時の速度）をできるだけ遅くする（電流の変化を遅くする）ことができ、スイッチング時に生じる高周波ノイズを小さくすることができる。
【００３４】
また、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１が導通しているときには、ゲート−ソース間の電圧は、回路用電源Ｖｃｃ前後の電圧になっている。
次いで、図１において、所定時間ヒータ素子３が通電された後、制御用マイコン７からパルス幅変調信号のＯＦＦ時の電圧が、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１に印加されると、１段目のＮＰＮ型トランジスタＴＲ１が非導通状態（ＯＦＦ状態）になると共に２段目のＰＮＰ型トランジスタＴＲ２も非導通状態（ＯＦＦ状態）になる。
【００３５】
そして、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート−ソース間に残った電圧（ゲート端子Ｇの寄生コンデンサに蓄えられた電荷）は、ゲート端子Ｇから第１信号線Ｌ１の第１抵抗Ｒ１並びに第２信号線Ｌ２の第２抵抗Ｒ２及びダイオード素子Ｄ２と、エミッタ接地抵抗Ｒ３とを経由して放電される。そして、ゲート−ソース間に残った電圧が閾値電圧Ｖｔｈ（１〜２Ｖ前後）以下になると、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１は非導通状態（ＯＦＦ状態）となる。このとき、第２信号線Ｌ２の第２抵抗Ｒ２には、回路用電源Ｖｃｃによる電圧よりも低いＭＯＳ型ＦＥＴ４１の閾値電圧Ｖｔｈが残っている。そのため、第１抵抗Ｒ１よりも抵抗値が小さい、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との並列抵抗を通じて、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの放電を行うことができる。
これにより、図６に示すごとく、ヒータ素子３への通電遮断時には、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１の立下り時間Ｔ２（ＯＦＦ時の速度）をできるだけ速くする（電流の変化を速くする）ことができ、制御性を確保することができる。
【００３６】
このように、本例のヒータ駆動回路４においては、ヒータ素子３の通電開始時において、回路用電源Ｖｃｃによる高い電圧に対しては、大きな抵抗値の第１抵抗Ｒ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに通電を行い、ヒータ素子３の通電遮断時において、回路用電源Ｖｃｃよりも低い電圧の閾値電圧Ｖｔｈに対しては、第１抵抗Ｒ１よりも抵抗値が小さい第２抵抗Ｒ２等（第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２との並列抵抗と、エミッタ接地抵抗Ｒ３との直列抵抗値）を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの放電を行うことができる。
そのため、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルス（電圧信号）の通電開始時の立上り時間Ｔ１（ＯＮ時の立上り速度）と、通電遮断時の立下り時間Ｔ２（ＯＦＦ時の立下り速度）とを適切に（本例では、略同じ時間に）設定することができる。
【００３７】
それ故、本例のガス濃度検出装置１によれば、ヒータ駆動回路４のＭＯＳ型ＦＥＴ４１における通電開始時の立上り時間Ｔ１と通電遮断時の立下り時間Ｔ２とを適切に（例えば略同じ時間に）設定することができ、高周波ノイズの低減及び制御性の確保を両立させることができる。
【００３８】
なお、図３に示すごとく、第１信号線Ｌ１には、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの側にカソード端子を配置してダイオード素子Ｄ１を、第１抵抗Ｒ１に直列に接続することもできる。その他の構成は、図１の構成と同じである。この場合には、ヒータ素子３への通電時には、第１信号線Ｌ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１を導通させる一方、ヒータ素子３への通電の遮断時には、第２信号線Ｌ２を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの放電を行うことができる。
【００３９】
また、図４に示すごとく、第２信号線Ｌ２には、上記ダイオード素子Ｄ２を用いる代わりに、この第２信号線Ｌ２の導通状態と非導通状態とを切り替えることができる切替手段Ｅ１を設けることもできる。この切替手段Ｅ１は、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等を用いて構成することができる。この場合には、ヒータ素子３への通電時には、切替手段Ｅ１によって第２信号線Ｌ２を非導通状態にし、第１信号線Ｌ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１を導通させることができる一方、ヒータ素子３への通電の遮断時には、切替手段Ｅ１によって第２信号線Ｌ２を導通状態にし、この第２信号線Ｌ２及び第１信号線Ｌ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの放電を行うことができる。
【００４０】
また、図５に示すごとく、上記ダイオード素子Ｄ２を用いる代わりに、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇには、第１信号線Ｌ１と第２信号線Ｌ２とを交互に導通させることができる切替手段Ｅ２を設けることもできる。この切替手段Ｅ２は、異なるチャネルの電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を対称形に接続してなるアナログスイッチ等によって構成することができる。この場合には、ヒータ素子３への通電時には、切替手段Ｅ２によって第１信号線Ｌ１を導通状態にして、この第１信号線Ｌ１を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１を導通させる一方、ヒータ素子３への通電の遮断時には、切替手段Ｅ２によって第２信号線Ｌ２を導通状態にして、この第２信号線Ｌ２を通じてＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇの放電を行うことができる。
【００４１】
（動作確認）
上記実施例１の構成のヒータ駆動回路４を用いたガス濃度検出装置１（発明品）について、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルス（電圧信号）及びヒータ素子３に通電されるヒータ電流の状態を確認した。また、比較のために、図７に示すごとく、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに、抵抗Ｒ９を設けた１つの信号線Ｌ３を接続した従来のヒータ駆動回路（比較品）についても同様に確認した。比較品のその他の構成は発明品と同様である。
図６には、横軸に時間をとり、縦軸に電圧値又は電流値をとって、パルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）によって、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルス（ゲート信号）及びヒータ素子３に通電されるヒータ電流（パルス電流）の状態を、比較品及び発明品について示す。また、比較品については、ゲート端子Ｇに設ける抵抗の抵抗値が大きい場合（例えば、６８ｋΩ）（比較品１）と、小さい場合（例えば、１ｋΩ）（比較品２）とについて示す。
【００４２】
なお、発明品においては、第１抵抗Ｒ１の抵抗値は６８ｋΩとし、第２抵抗Ｒ２の抵抗値は２０ｋΩとし、エミッタ接地抵抗Ｒ３の抵抗値は３ｋΩとした。
図６に示すごとく、比較品１においては、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルスは、ゲート端子Ｇに設けた抵抗の抵抗値が大きいために、通電開始時の立上り時間Ｔ１は適切であるものの、通電遮断時の立下り時間Ｔ２が長くて、印加パルスのＯＦＦ時の電圧を確保することができないことがわかる。また、比較品１において、ヒータ素子３へのヒータ電流の電流パルスにおいても、立下り時間Ｔ２が長くて、ＯＦＦ時のヒータ電流を確保することができないことがわかる。
【００４３】
また、比較品２においては、ゲート端子Ｇに設けた抵抗の抵抗値が小さいために、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルスについては、通電開始時の立上り時間Ｔ１及び通電遮断時の立下り時間Ｔ２を短くできるものの、ヒータ素子３へのヒータ電流の電流パルスについては、通電開始時に電流のオーバシュートが発生してしまうことがわかる。そして、この場合には、ヒータ駆動回路４において、大きな高周波ノイズが発生してしまうおそれがある。
【００４４】
一方、同図に示すごとく、発明品においては、ゲート端子Ｇに対して通電開始時の抵抗値と通電遮断時の抵抗値とを適切に切り替えることができ、ＭＯＳ型ＦＥＴ４１のゲート端子Ｇに印加される印加パルスについて、通電開始時の立上り時間Ｔ１及び通電遮断時の立下り時間Ｔ２を適切に（例えば、略同じ時間に）設定することができることがわかる。また、ヒータ素子３へのヒータ電流の電流パルスについても、通電開始時に電流のオーバシュートがなく、ＯＦＦ時のヒータ電流も適切に確保できることがわかる。
このように、発明品によれば、第１抵抗Ｒ１と第２抵抗Ｒ２とを、ヒータ電流（パルス電流）のＯＮ時の電流値にオーバシュートがなく、かつＯＦＦ時の電流値が所定時間継続できる状態に設定できることがわかる。
【００４５】
このように、上記第１抵抗Ｒ１と上記第２抵抗Ｒ２とを適切に設定することにより、上記パルス幅変調信号によって上記ＭＯＳ型ＦＥＴ４１から上記ヒータ素子３に通電される各パルス電流のＯＮ時の電流値にオーバシュートがなく、かつＯＦＦ時の電流値が所定時間継続できるヒータ電流を形成することができる。
なお、制御用マイコン７において、パルス幅変調信号の周期、及び使用するデューティ比の範囲（特にディーティ比が大きい場合）等については、適宜適切な範囲に設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】実施例における、ヒータ駆動回路を説明する回路図。
【図２】実施例における、ガス濃度検出装置を説明する構成図。
【図３】実施例における、他のヒータ駆動回路を説明する回路図。
【図４】実施例における、他のヒータ駆動回路を説明する回路図。
【図５】実施例における、他のヒータ駆動回路を説明する回路図。
【図６】動作確認における、発明品及び比較品について、ＰＷＭ信号、ゲート信号及びヒータ電流の状態を示すタイミングチャート。
【図７】動作確認における、従来のヒータ駆動回路を説明する回路図。
【符号の説明】
【００４７】
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
４  ヒータ駆動回路
４１  スイッチング素子（ＭＯＳ型ＦＥＴ）
Ｌ１  第１信号線
Ｌ２  第２信号線
Ｒ１  第１抵抗
Ｒ２  第２抵抗
Ｒ３  エミッタ接地抵抗
Ｄ１、Ｄ２  ダイオード素子
Ｅ１、Ｅ２  切替手段
ＴＲ１  １段目のＮＰＮ型トランジスタ
ＴＲ２  ２段目のＰＮＰ型トランジスタ
Ｖｃｃ  回路用電源
ＶＢ  通電用電源
Ｖｔｈ  閾値電圧
６  センサ駆動回路
６１  インピーダンス測定回路
７  制御用マイコン
Ｆ  基準ガス
Ｇ  被測定ガス（排ガス）
Ｔ１  立上り時間
Ｔ２  立下り時間
【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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