(57)【要約】【課題】ヒータ駆動系からのノイズの影響を抑制し、ガス濃度の検出精度を向上させること。【解決手段】ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を備え、これら各セル１１０〜１３０はヒータ１５１の発熱により活性状態に保持される。ガス濃度検出時において各セル１１０〜１３０に流れる電流はセンシング回路２００により計測される。ヒータ１５１はヒータ駆動回路２５０により断続的に通電される。センシング回路２００における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路２５０における基準電位を設定するグランドパターンとはグランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けられている。【選択図】      図１
2004212284.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記グランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に前記グランド端子部を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項３】
固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置に前記グランド端子部を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項４】
センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で異なる２方向に展開して設けた請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で平行にならないようにして設けた請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
ヒータ駆動回路用のグランドパターンを、センシング回路用のグランドパターンとの接続部付近で一部細くした請求項１乃至５の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた請求項１乃至６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記回路基板は複数の絶縁層が積層されてなる多層基板であり、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆になるよう構成した請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項１０】
固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記回路基板は複数の絶縁層が積層されてなる多層基板であり、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆にな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１１】
ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを、絶縁層を挟んで上下に５０％以上の領域で重ねて設けた請求項８又は１０記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、第１セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第２セルとを有し、前記センシング回路は、少なくとも第２セルに流れる微小電流を計測するものである請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１３】
前記センサ素子は、被検出ガス中の酸素を分解しその際移動する酸素イオン量より酸素濃度を検出するものであり、前記センシング回路は、酸素の分解時に流れる微小電流を計測するものである請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出するものがある。ガス濃度センサは、例えばポンプセル、センサセル及びモニタセルよりなるセンサ素子を有し、ポンプセルではチャンバに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ同時に排ガス中の酸素濃度検出が行われる。また、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度（特定成分のガス濃度）が検出され、モニタセルではポンプセル通過後のチャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
【０００３】
上記ガス濃度センサでは、センサ素子が所定の活性状態にあることを前提に酸素濃度やＮＯｘ濃度が正常に検出される。そのため一般には、センサ素子の近傍にヒータを設け、このヒータの発熱によりセンサ素子を加熱して素子活性状態を保持するようにしている。例えば、センサ素子の抵抗値を検出し、その素子抵抗値が活性温度相当の目標値になるようヒータを断続的に通電するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
より具体的に説明すると、ガス濃度センサ（いわゆるＮＯｘセンサ）では、センサセルのＮＯｘ活性電極において排ガス中のＮＯｘが分解され、その際発生する酸素イオンが当該センサセル内を流れる。このとき、センサセル内を流れる電流を計測することによりＮＯｘ濃度が検出される。センサセル電流はｎＡ（ナノアンペア）オーダの微小電流であり、センシング回路内の高抵抗（例えば１．５ＭΩ）の電流検出抵抗を通じてその微小電流が計測されるようになっている。一方、ヒータはヒータ駆動回路により断続的に通電される。このとき、Ａ（アンペア）オーダのヒータ電流がＯＮ／ＯＦＦ制御される。
【０００５】
【特許文献１】
特開２０００−１７１４３５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通りＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル電流はｎＡオーダであるのに対し、ヒータ電流はＡオーダであり、単純に比較すると電流レベルが１０＾９倍違うこととなる。また通常、センシング回路とヒータ駆動回路とは同一の回路基板上に混在した状態で搭載される。故に、センシング回路にはヒータのＯＮ／ＯＦＦ切り換え時に発生するノイズが乗ってしまい、ＮＯｘ濃度の必要な検出精度が確保できなくなるおそれがあった。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヒータ駆動系からのノイズの影響を抑制し、ガス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である。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス濃度検出装置では前提として、ガス濃度検出時においてセンシング回路によりセンサ素子に流れる電流が計測される。そして、この計測された電流値によりガス濃度が検出される。一方、ヒータ駆動回路により、ヒータが断続的に通電されてセンサ素子が所定の活性状態に保持される。センシング回路とヒータ駆動回路とは同一の回路基板上に実装されており、これら各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる。特に請求項１の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記グランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けている。
【０００９】
要するに、ヒータ駆動回路によるヒータ通電が断続（ＯＮ／ＯＦＦ）される時にはそれが原因でノイズが発生する。このとき、ヒータ電流はＡ（アンペア）オーダであるのに対し、ガス濃度検出時に流れる電流はｎＡ（ナノアンペア）〜ｍＡ（ミリアンペア）の微小レベルであるため、センシング回路による電流計測にノイズの悪影響が及ぶことが懸念される。これに対し本発明では、上記の如く各グランドパターンがグランド端子部を挟んで分離配置されるため、センシング回路へのヒータ電流の回り込みが防止できる。つまり、センシング回路における基準電位の変動が防止でき、基準電位が安定する。故に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。
【００１０】
但し、「グランド端子部」は、グランド端子そのものであることを含む他、グランド端子に接続され同じ基準電位に保持されたグランド端子相当部分を含むものと定義する。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に前記グランド端子部を設けている。かかる場合にも上記請求項１と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。
【００１２】
更に、請求項３に記載の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置に前記グランド端子部を設けている。かかる場合にも上記請求項１と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。つまり、実質上影響のない範囲内（基準電位の変動が生じない範囲内）であれば、各グランドパターンの分岐点とグランド端子部とがずれていたとしてもそれが許容される。
【００１３】
実際には請求項４に記載したように、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で異なる２方向に展開して設けると良い。
【００１４】
又は、請求項５に記載したように、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で平行にならないようにして設けると良い。請求項４，５の構成によれば、ヒータ電流による電磁波ノイズの影響が排除できる。
【００１５】
請求項６に記載の発明では、ヒータ駆動回路用のグランドパターンを、センシング回路用のグランドパターンとの接続部付近で一部細くしている。この場合、グランドパターンの一部細い部位は高抵抗となる。故に、ヒータ通電のＯＮ／ＯＦＦ時におけるノイズの影響がセンシング回路側に伝わりにくくなり、センシング回路の基準電位がより一層安定したものとなる。
【００１６】
請求項７，９に記載の発明では、回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた。この場合、ヒータ駆動回路では当該回路内を流れるヒータ電流により磁束が発生し、それに伴う電磁波ノイズもセンシング回路における計測精度の悪化の要因となりうるが、本発明によればこうした不都合も解消される。故に、より一層のガス濃度検出精度の向上が期待できる。
【００１７】
また、請求項８，１０に記載の発明では、多層基板を用いて回路構成が具体化される装置にあって、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆になるよう構成している。この場合、上記の各パターンに電流が流れると、その電流の流れの向きに応じて磁束が発生するが、それら各パターンに流れる電流の向きが互いに逆であれば、各パターンにより磁束が相殺される。故に、ヒータ電流によって発生する電磁波ノイズの影響が低減できる。
【００１８】
上記請求項８又は１０の発明では請求項１１に記載したように、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを、絶縁層を挟んで上下に５０％以上の領域で重ねて設けると良い。より望ましくは、各パターンの重なり部分を８０％以上とすると良い。
【００１９】
例えば、自動車排ガス中のＮＯｘを検出するＮＯｘセンサは、チャンバ内の酸素の出入を調整するポンプセルや、ポンプセル通過後のガスからＮＯｘを分解しその際移動する酸素イオン量よりＮＯｘ濃度を検出するセンサセルを有しており、そのセンサセルに流れる電流はｎＡオーダの微小電流となる。こうしたＮＯｘセンサに本発明が好適に採用できる。要は、請求項１２に記載したように、前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、第１セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第２セルとを有し、前記センシング回路は、少なくとも第２セルに流れる微小電流を計測するものであると良い。
【００２０】
また、例えば排ガス中の酸素濃度（すなわち空燃比）を検出するＡ／Ｆセンサ、或いはガス濃度センサの酸素濃度検出部（ポンプセル）を対象にしても本発明が好適に採用できる。要は、請求項１３に記載したように、前記センサ素子は、被検出ガス中の酸素を分解しその際移動する酸素イオン量より酸素濃度を検出するものであり、前記センシング回路は、酸素の分解時に流れる微小電流を計測するものであると良い。つまり、酸素濃度検出時の計測電流（ｍＡオーダ）は、微小電流といってもＮＯｘ濃度検出時の計測電流に比べて電流レベルが大きいが、回路配置の制約などによりセンシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとが比較的近い位置に配置される場合などにはやはりヒータ駆動に伴うノイズの影響が懸念される。かかる場合にあっても、本発明の適用により基準電位の変動が抑制でき、高精度な酸素濃度（空燃比）の検出が実現できる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、例えば自動車用エンジンに適用されるものであって、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガス中の酸素濃度や特定成分のガス濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。
【００２２】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図２を用いて説明する。図２のガス濃度センサは、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル及び「第３セル」としてのモニタセルからなる３セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている（但し、ＮＯｘセンサとしての具体化も可能）。本実施の形態では、上記３セルによりセンサ素子が構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。図２（ａ）は、センサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００２３】
ガス濃度センサ１００において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）１４１，１４２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１にはピンホール１４１ａが形成されており、このピンホール１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００２４】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５０側に排出する。
【００２５】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００２６】
特に本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル１２０及びセンサセル１３０が並列に配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１４８側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。なお、モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。
【００２７】
図３（ａ）は、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置を第２チャンバ１４６側から見た平断面図であり、図３（ｂ）は、これら各セルの電極配置を大気通路１４８側から見た平断面図である。本構成によれば、モニタセル１２０及びセンサセル１３０では排ガス導入距離が同じになる。その結果、ポンプセル１１０通過後の残留酸素に対するモニタセル１２０とセンサセル１３０との感度が同等になり、精度の高いガス濃度検出が可能になる。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極は、図３（ａ）のように、排ガスの流れ方向に沿って並列に配置すること以外に、排ガスの流れ方向に前後（すなわち、図の左右）に配置することも可能である。例えば、モニタセル１２０を上流側（図の左側）に、センサセル１３を下流側（図の右側）に配置する。また、各セルにおいて共通電極１２２を用いることも必須ではなく、各セル個別の電極を用いることも可能である。
【００２８】
固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５０が形成されている。また、絶縁層１４９には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）１５１が埋設されている。ヒータ１５１はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【００２９】
上記構成のガス濃度センサ１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出される。そして、ポンプセル１１０に流れた電流（ポンプセル電流Ｉｐ）により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【００３０】
ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧Ｖｍを印加することでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路１４８に排出される。このとき、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００３１】
因みに、ポンプセル１１０では、その都度の排ガス中の酸素濃度（すなわちポンプセル電流Ｉｐ）に応じて印加電圧Ｖｐが可変に制御されるようになっており、一例として、当該ポンプセル１１０の限界電流特性に基づき作成された印加電圧マップを用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに応じて印加電圧Ｖｐが制御される。これにより、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど印加電圧が高電圧側にシフトするようにして印加電圧制御が実施される。
【００３２】
次に、ガス濃度検出装置の電気的な構成を図１を用いて説明する。なお図１には、前述のガス濃度センサ１００を用いたガス濃度検出装置を示すが、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置については、便宜上、横並びの状態で示す。
【００３３】
図１において、マイクロコンピュータ（以下、マイコンと略す）３００は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、各セル１１０〜１３０の印加電圧をＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）より適宜出力する。また、マイコン３００は、各セル１１０〜１３０に流れる電流の計測結果を取り込むべく、センシング回路２００内における各端子Ｖｃ、Ｖｅ、Ｖｄ、Ｖｂ、Ｖｇ、Ｖｈの電圧をＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）より各々入力する。マイコン３００は、ポンプセル１１０やセンサセル１３０で計測された電流値に基づいて排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）やＮＯｘ濃度を検出し、その検出結果をＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ４，Ｄ／Ａ３）や通信回路を介して外部のエンジンＥＣＵ等に出力する。
【００３４】
センシング回路２００の構成について詳しくは、ポンプセル１１０において一方の電極１１２には、基準電源２０１及びオペアンプ２０２により基準電圧Ｖａが印加され、他方の電極１１１には、オペアンプ２０３及び電流検出抵抗２０４を介してマイコン３００の指令電圧Ｖｂが印加される。指令電圧Ｖｂの印加に際し、排ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル１１０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２０４により検出される。つまり、電流検出抵抗２０４の両端子電圧Ｖｂ，Ｖｄがマイコン３００に取り込まれ、その電圧Ｖｂ，Ｖｄによりポンプセル電流Ｉｐが算出される。
【００３５】
また、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の共通電極１２２には、基準電源２０５及びオペアンプ２０６により基準電圧Ｖｆが印加され、共通電極１２２とは異なる方のセンサセル電極１３１には、オペアンプ２０７及び電流検出抵抗２０８を介してマイコン３００の指令電圧Ｖｇが印加される。指令電圧Ｖｇの印加に際し、ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンサセル１３０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２０８により検出される。つまり、電流検出抵抗２０８の両端子電圧Ｖｇ，Ｖｈがマイコン３００に取り込まれ、その電圧Ｖｇ，Ｖｈによりセンサセル電流Ｉｓが算出される。
【００３６】
また、共通電極１２２とは異なる方のモニタセル電極１２１には、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２０９、オペアンプ２１０及び電流検出抵抗２１１を介してマイコン３００の指令電圧Ｖｃが印加される。指令電圧Ｖｃの印加に際し、ガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル１２０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２１１により検出される。つまり、電流検出抵抗２１１の両端子電圧Ｖｃ，Ｖｅがマイコン３００に取り込まれ、その電圧Ｖｃ，Ｖｅによりモニタセル電流Ｉｍが算出される。なお、ＬＰＦ２０９は、例えば抵抗及びコンデンサからなる一次フィルタにて実現される。
【００３７】
また本実施の形態では、いわゆる掃引法を用い、例えばモニタセル１２０を対象に「素子抵抗値」としての素子インピーダンスが検出される。つまり、モニタセル１２０のインピーダンス検出時において、マイコン３００により、モニタセル印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に（例えば数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で）切り換えられる。この印加電圧は、ＬＰＦ２０９により正弦波的になまされつつモニタセル１２０の両電極に印加される。交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ２０９の時定数は５μｓｅｃ程度で設定される。そして、その時の電圧変化量と電流変化量とからモニタセル１２０の素子インピーダンスが算出される（インピーダンス＝電圧変化量／電流変化量）。なお、素子抵抗値として、素子インピーダンスに代えてその逆数である素子アドミタンスを検出する構成であっても良い。
【００３８】
因みに、モニタセル１２０及びセンサセル１３０では、一方の電極を共通電極１２２としたため、基準電圧側のドライブ回路が削減できるというメリットや、ガス濃度センサ１００からのリード線の取り出し本数が削減できるというメリットが得られる。また、モニタセル１２０とセンサセル１３０とは同じ固体電解質１４１で隣り合って形成されるため、掃引時には隣の電極に電流が流れ、素子インピーダンスの検出精度が悪化することが懸念されるが、共通電極１２２を設けることで一方の電極が同じ電位となり、この影響が低減できる。
【００３９】
また、モニタセル１２０では残留酸素濃度を検出する際に数μＡ程度の電流しか流れないのに対し、インピーダンス検出のための掃引時には数ｍＡ程度の電流が流れる。このオーダの異なる電流を同じ検出抵抗で検出すると、オーバーレンジしたり、検出精度が悪くなったりする。そこで本実施の形態では、モニタセル１２０による残留酸素検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り換えることとしている。具体的には、電流検出抵抗２１１に並列に、別の電流検出抵抗２１２とスイッチ回路２１３（例えば、半導体スイッチ）とを設けている。そして、マイコン３００のＩ／Ｏポートからの出力により、スイッチ回路２１３をＯＮ／ＯＦＦさせるよう構成する。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路２１３をＯＦＦ（開放）し、電流検出抵抗２１１による数１００ｋΩ程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍを検出する。これに対し、インピーダンス検出時には、スイッチ回路２１３をＯＮ（閉鎖）し、電流検出抵抗２１１及び２１２による数１００Ω程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍを検出する。
【００４０】
また、ガス濃度センサ１００のヒータ１５１は、ヒータ駆動回路２５０により断続的に通電される。つまり、ヒータ駆動回路２５０は、ヒータ駆動用のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ２５１と、このＭＯＳＦＥＴ２５１に逆向きに接続された逆流防止用のＭＯＳＦＥＴ２５２と、ＭＯＳＦＥＴ駆動用のドライバ２５３とを有する。マイコン３００内のＣＰＵは、制御指令値ＤｕｔｙをＩ／Ｏポートから出力してＭＯＳＦＥＴドライバ２５３を駆動する。このとき、電源２５４（例えばバッテリ電源：ＶＢ＝１２Ｖ）からヒータ１５１へ供給される電力がＭＯＳＦＥＴ２５１によりＰＷＭ制御され、これによりヒータ１５１が断続的に通電される。
【００４１】
上述したマイコン３００をはじめ、センシング回路２００やヒータ駆動回路２５０は同一の回路基板上に実装されている。そして、この回路基板に設けられたコネクタ部を通じてガス濃度センサ１００やエンジンＥＣＵ等への電気的な接続がなされるようになっている。この場合、回路基板は、複数（例えば６層）の絶縁層が積層されてなる多層基板により構成されている。つまり、絶縁層毎に銅箔等による導体パターンが設けられると共に、絶縁層にスルーホールが形成されてこのスルーホール内に充填された導体部材を通じて絶縁層間が導通されるようになっている。多層基板構造については従来より種々の技術が提案、実用化されており、その多層基板構造は任意の技術を採用すれば良いため詳細の図示及びその説明を省略するが、以下には、図４〜図６を用いて本実施の形態の要部構成を説明する。
【００４２】
先ずは図４を用い、回路基板に設けられる端子列について説明する。図４に示すように、回路基板の側縁部には、複数の端子（Ｔ１〜Ｔ９等）が一列に並んだ状態で配置されており、これら各端子を通じてガス濃度センサ１００の各セル１１０〜１３０やヒータ１５１の電気的な操作が行われる他、別装置との通信等が行われるようになっている。主要なものを簡単に説明すれば、ポンプセル１１０は端子Ｔ８−Ｔ９間に、モニタセル１２０は端子Ｔ１−Ｔ３間に、センサセル１３０は端子Ｔ２−Ｔ３間にそれぞれ接続される。端子Ｔ３はモニタセル、センサセルの共通端子である。また、ヒータ１５１は端子Ｔ５−Ｔ７間に接続される。端子Ｔ４はグランド端子（グランド端子部）であり、端子Ｔ４を通じて外部より基準電位（本実施の形態では０Ｖ）が取り込まれる。また、端子Ｔ６はバッテリ端子であり、端子Ｔ６を通じてバッテリ電圧が取り込まれる。
【００４３】
図５には、複数の絶縁層のうち、２層の絶縁層Ｚ１，Ｚ２についてその要部を示しており、これら各絶縁層Ｚ１，Ｚ２には各層共通に前記図４で説明した端子列が同様に設けられている。（ａ）に示す絶縁層Ｚ１には、ヒータ駆動回路２５０用の電源パターンＰ１が設けられている。この電源パターンＰ１には図中矢印の向きでヒータ電流ｉｈが流れる。
【００４４】
また、（ｂ）に示す絶縁層Ｚ２には、グランド端子Ｔ４に接続されたグランドパターンＰ２が設けられている。このグランドパターンＰ２は、センシング回路用のグランドパターンＰ３と、ヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ４とを一体的に有するものであり、これら各グランドパターンＰ３，Ｐ４はグランド端子Ｔ４を起点として分離して設けられている。見方を変えれば、各グランドパターンＰ３，Ｐ４の分岐点Ｂ１にグランド端子Ｔ４が設けられているとも言える。この場合特に、各グランドパターンＰ３，Ｐ４が回路基板上で異なる２方向に展開して（すなわち、ほぼ１８０度開いた状態で）設けられている。ヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ４には図中矢印の向きでヒータ電流ｉｈが流れる。
【００４５】
図５（ｂ）に示すグランドパターン構成によれば、各グランドパターンＰ３，Ｐ４がグランド端子Ｔ４を挟んで分離配置されるため、センシング回路２００へのヒータ電流ｉｈの回り込みが防止でき、センシング回路２００における基準電位の安定化が実現できる。つまり、ヒータ電流はＡ（アンペア）オーダであるのに対し、センサセル電流はｎＡ（ナノアンペア）の微小レベルであるため、センシング回路２００側では、ヒータ駆動系で発生したノイズによる悪影響が懸念されるが、こうした問題が解消される。
【００４６】
また、図５の（ａ），（ｂ）には、センシング回路２００の設置領域Ｒ１と、ヒータ駆動回路２５０の設置領域Ｒ２とを点線枠で示しており、これら各領域Ｒ１，Ｒ２が互いに離間した位置に設けられていることが分かる。この場合、ヒータ駆動回路２５０では当該回路２５０内を流れるヒータ電流ｉｈにより磁束が発生し、それに伴う電磁波ノイズもＮＯｘ濃度の検出精度悪化の要因となりうるが、本構成によればこうした不都合も解消される。
【００４７】
また、ヒータ駆動回路２５０側では、グランドパターンＰ４と電源パターンＰ１とが各々異なる絶縁層Ｚ１，Ｚ２にあって上下に重ねて設けられ、且つそれら各パターンのヒータ電流ｉｈの流れの向きが互いに逆になっている。図６は、電源側及びグランド側の各パターンＰ１，Ｐ４が重なった状態で配置されることを示す平面図である。この場合、電源側及びグランド側の各パターンＰ１，Ｐ４にヒータ電流ｉｈが流れると磁束が発生するが、それら各パターンに流れるヒータ電流ｉｈの向きが互いに逆であるため、各パターンの磁束が互いに打ち消される。故に、ヒータ電流ｉｈによって発生する電磁波ノイズの影響が低減できる。
【００４８】
因みに、同一の絶縁層上で電源側及びグランド側の各パターンを並べて設けた場合と、異なる絶縁層上で上下に重ねて各パターンを設けた場合とを比較すると、前者の場合はパターン間のギャップが最低１〜２ｍｍ程度はできるのに対し、後者の場合はパターン間のギャップ（上下の間隔）は絶縁層の厚さである０．４ｍｍ程度になる。従って、各パターンを上下に重ねることにより、磁束の打ち消し合いの効果を高めることができる。
【００４９】
各パターンＰ１，Ｐ４は、絶縁層を挟んで上下に５０％以上の領域で重ねて設けられると良い。より望ましくは、各パターンの重なり部分を８０％以上とすると良い。各パターンの重なる領域が大きくなるほど、電磁波ノイズの低減効果が高められる。
【００５０】
また、ヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ４を見ると、センシング回路用のグランドパターンＰ３との接続部付近（分岐点Ｂ１）で一部細くなっている（図のＡ部）。この場合、グランドパターンＰ４の一部細い部位は高抵抗となる。故に、ヒータ通電のＯＮ／ＯＦＦ時におけるノイズの影響がセンシング回路２００側に伝わりにくくなり、センシング回路２００の基準電位がより一層安定したものとなる。
【００５１】
以上詳述した本実施の形態によれば、
（１）センシング回路用のグランドパターンＰ３とヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ４とをグランド端子Ｔ４を挟んで分離配置したこと、
（２）センシング回路２００の設置領域とヒータ駆動回路２５０の設置領域とを互いに離間した位置に設けたこと、
（３）ヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ４と電源パターンＰ１とを絶縁層を挟んで設け、各々の電流の流れの向きを互いに逆にしたこと、
により、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。これに加え、ポンプセル１１０による酸素濃度検出においても同様の効果を奏し、酸素濃度の検出精度が向上する。
【００５２】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【００５３】
上記実施の形態では、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとの分岐点にグランド端子を設けるよう構成したが、この構成を変更し、各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置にグランド端子を設ける構成であっても良い。例えば、図７に示すグランドパターンＰ１１は、センシング回路用のグランドパターンＰ１２と、ヒータ駆動回路用のグランドパターンＰ１３とを一体的に有し、各グランドパターンＰ１１，Ｐ１２が分岐点Ｂ２で分岐している。この場合、前記図５（ｂ）とは異なり、分岐点Ｂ２とグランド端子Ｔ４とが一致しないものの、かかる場合にも上記実施の形態と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。つまり、実質上影響のない範囲内（基準電位の変動が生じない範囲内）であれば、各グランドパターンの分岐点とグランド端子とがずれていたとしてもそれが許容される。
【００５４】
また上記実施の形態では、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを回路基板上で異なる２方向に展開して（すなわち、ほぼ１８０度開いた状態で）設けたが、これを変更し、各グランドパターンをＬ字状に展開したり、鋭角な角度で展開したりする構成であっても良い。但し、各グランドパターンは交わらず、平行にならないように配置されると良い。
【００５５】
グランドパターン上にグランド端子が直接設けられる構成でなくとも、グランド端子に接続され同じ基準電位に保持されるグランド端子相当部分がグランドパターン上に設けられる構成としても良い。具体的には、図８に示すように、グランドパターンＰ２とグランド端子Ｔ４とを離間して設ける。そして、グランドパターンＰ２の端子接続部１１（グランド端子部に相当）とグランド端子Ｔ４とを配線１２で電気的に接続する。この場合には、端子接続部１１をグランドパターンＰ３，Ｐ４の分岐点又はその近傍に設ければよく、かかる構成にあっても既述の優れた効果を奏することに変わりない。
【００５６】
上記実施の形態のガス濃度検出装置では、
（１）センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとをグランド端子を挟んで分離配置した構成、
（２）センシング回路の設置領域とヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた構成、
（３）ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで設け、各々の電流の流れの向きを互いに逆にした構成、
を何れも採用したが、何れか１つ又は２つを採用したとしても従来に無い効果を奏する。故に、上記（１）〜（３）の構成を選択的に用いて実現することも可能である。
【００５７】
回路基板とヒータとを電気的に接続する電線のプラス側とマイナス側とをツイストする構成としても良い。この場合、電線周りに磁束が発生してもその磁束が互いに打ち消され合い、ノイズの発生が抑制される。
【００５８】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセル（第１セル）にて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセル（第２セル）にて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。
【００５９】
また、Ａ／Ｆセンサについても本発明が適用できる。例えば、回路配置の制約などによりセンシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとが比較的近い位置に配置される場合などにはやはりヒータ駆動に伴うノイズの影響が懸念される。かかる場合にあっても、本発明の適用により基準電位の変動が抑制でき、高精度な酸素濃度（空燃比）の検出が実現できる。
【００６０】
更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示す構成図である。
【図２】ガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【図３】モニタセル及びセンサセルの電極配置を示す平断面図である。
【図４】回路基板の端子列を説明するための平面図である。
【図５】電源パターン及びグランドパターンを示す平面図である。
【図６】電源パターン及びグランドパターンを示す平面図である。
【図７】グランドパターンの別の構成例を示す平面図である。
【図８】グランドパターンの別の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、
１１０…ポンプセル、
１２０…モニタセル、
１３０…センサセル、
１４１，１４２…固体電解質、
１４４…第１チャンバ、
１４６…第２チャンバ、
１５１…ヒータ、
２００…センシング回路、
２５０…ヒータ駆動回路、
Ｐ１…電源パターン、
Ｐ３，Ｐ１２…センシング回路用のグランドパターン、
Ｐ４，Ｐ１３…ヒータ駆動回路用のグランドパターン、
Ｔ４…グランド端子。
【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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