(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のイオン導電性の固体電解質（１３）及び前記第１の固体電解質に形成された検知電極（２０，２１）と参照極（２２）からなる検知セル、第２のイオン導電性の固体電解質（１４）及び前記第２の固体電解質に形成された一対の電極（１８，１９）からなる酸素ポンプセル、及び前記酸素ポンプセルに電圧を印加し、且つ前記検知電極（２０，２１）と参照極（２２）間の電位差を測定するための電源を備え、前記酸素ポンプセルに所定の電圧を印加しながら、前記検知電極（２０，２１）と参照極（２２）間の電位差を減算回路により処理してガス濃度を検出するガスセンサにおいて、前記酸素ポンプを構成する一対の電極のいずれか一つが接地され、且つ前記検知電極（２０，２１）と前記減算回路との間及び前記参照極（２２）と前記減算回路との間にインピーダンス変換器が接続されたことを特徴とするガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は固体電解質を用いた起電力に基づく電圧検出方式のガスセンサに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、自動車排ガス中に直接挿入してNOx連続検知が行えるガスセンサが注目を集め、幾つかの研究結果を報告されている。例えば、特願平４−１４２４５５号公報では、イオン伝導体に検知電極と参照電極を設置し、被検ガス中で両電極間の起電力を測定するセンサを提案されている。又、図７に示す如く、NOx検知電極３、とその対極としての参照極４を一枚の固体電解質基板５に形成し、酸素ポンプ１、２を検知電極３の基板５と別の固体電解質基板６に形成し、これらの基板５、６の間にアルミナの絶縁層２を挟んで一体化した構造のガスセンサも提案されている。しかし、センサ作動温度の６００℃前後までセンサ全体を加熱すると、室温で絶縁体であるアルミナ７の電気抵抗が少し下がり、電極間の電圧によって電流がアルミナ絶縁層を通して流れるようになる。この電流が、窒素酸化物検知極３或いは参照電極４に流れると、これらの電極が分極を生じ、電極電位が変化することがある。しかも、この電位の変化がポンプ電極１、２の電流か電圧の変化によって変動して、検知電位のノイズとなり、測定信号の信頼性を大きく低下させることに繋がる。例えば、酸素ポンプ電極とする白金極２と、検知極の参照極とする白金極４の電極電位が同一ガス中にあった場合、ポンプの接地電極の電位が参照極の電位と理論上等しく、接地された両電極間に電流が流れないが、酸素ポンプ１、２が作動すると、ポンプの接地電極が電流によって分極し、参照極４との間に電位差が生じる。また電解質間のアルミナ絶縁層７の絶縁性が低下することによって、ポンプ電極１、２と参照電極４の間に電流回路が構成し、電流が参照極に流れてしまい、測定信号のノイズとなり、センサの信頼性を低下させることがある。
【０００３】
これまで、センサ出力信号の信頼性と感度を向上し、前述の酸素ポンプからの電流リークによる影響を低減するために、駆動部と測定部間の絶縁層の電気抵抗をできるだけ大きくする方法或いは測定部と駆動部の電源を分けた多電源回路が取られている。しかし、絶縁材料の種類及びセンサ作動温度の制限、センサ製造工程の制限などによってリーク電流を完全に無くすことが不可能であり、車載用を考えると、多電源方式が望ましくない。このため、原理上的にリーク電流の影響が生じないセンサの構成及び測定回路が望ましい。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明では、前述の課題を解決するために、窒素酸化物センサ構造の設計と検出回路の設計において、特に車載用を配慮し、センサ用電源を一つに限定した上に、センサ中各部分及び車載電子回路からのノイズなどを最小限に低減し、センサ中のポンプ回路とセンサ回路間の干渉を完全に無くすための構造と回路を提案するためのものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、例えば、NO検知極、酸素検知極及び参照極に電流が流れ込まないように、何れも接地しない場合を考える。この時電極に流れる最大電流は測定回路の入力インピーダンスによるバイアス電流のみとなり、現在、ＦＥＴ入力ＯＰアンプを使用すれば数pA以下にすることは容易である。この程度のバイアス電流が電極に流れ込んでも電極特性にほとんど影響しないと考えられる。しかし、これだけにすると、接地電極がなく、電解質基板が他の基板と絶縁されているか、非常に高抵抗の状態にあるため、測定回路のバイアス電流が流れなくなるか、これらの電極と電解質からなる電気化学システムの各電位が不安定な状態にあり、ノイズが非常に受けやすく、実用に供するのは非常に困難である。
【０００６】
このため、測定回路のバイアス電流のパスを作る必要がある。このパスを次のように作ることが可能である。
方法１：図１に示す如く、リーク電流とバイアス電流を検知電極８、９と参照極１０を通さずに流すために、測定部の固体電解質基板１１に新たに補助接地電極１２を形成して接地する。この電極の電位を基準として、NOx検知電極９、酸素検知電極８及び参照電極１０の電位をそれぞれ測定する。その結果を電子回路によって減算し、NOx検知極９と酸素検知極８の電極電位を得ることができる。接地された電極１２に電流が流れ込んでも、センサの出力に影響しないことは次のように説明される。接地電極１２以外の電極に測定回路の入力端子からのバイアス電流しか流れないので、何れも数十pA以下程度の微小電流であり、電極の特性にほとんど影響を及ぼさない。一方、接地電極１２に電流が流れ込むことによって、接地電極１２の電位が変化するが、同一時刻で各電極の電位をこの接地電極１２を基準して測定し、回路の減算によって電位差を取れば、接地電極１２の電位変化分が現れずに、検知電極８、９の電位が正確に測定されることとなる。
【０００７】
測定回路の原理図を図２に示す。センサ電極、参照極及び各電位を検出する必要がある電極をインピーダンス変換入力回路に接続して電位信号検出し、これらの信号を減算回路を用いて処理し、センサ電極の出力として取り出す。ポンプ部１７のポンプ電極１９、２０を有する固体電解質基板１４と、測定部１６のNOx検知極２０、酸素検知極２１、参照極２２を有する固体電解質基板１３とを離間対向させアルミナのスペーサでその一端を閉じ、他端を被検ガス中に開口２３させ、その内部を被検ガスの缶室とさせる。
【０００８】
方法２：方法２の構成とその等価回路を図３に示す。センサ検出極２０、２１が形成される測定部１６の固体電解質基板１３とポンプ電極が形成される駆動部１７の電解質基板１４を同一基板にするか、固体電解質基板或いは固体電解質粉末１５をペースト化して接着、焼成した過程で一体化することによって、測定部１６とポンプ部１７のイオン電導性固体電解質を電気化学的に導通させ、さらに、ポンプ電極１８、１９の何れかを接地することによってセンサ電極と接続した測定回路のバイアス電流の回路を形成し、電解質全体を接地する。
一方、各センサ電極２０、２１と参照極２２の電極電位をこの接地された電極に対して図２に示す測定回路を用いて測定し、検出された電圧を電子回路の減算によって、NOx検知極２０と参照極２２、酸素検知極２１と参照極２２の間の電圧を算出し、センサの検出信号とする。この時の接地された電極の電位がポンプ電流及びリーク電流の変化によって分極電位が生じるが、同一時刻で測定された各電極の接地電極に基準する電圧が同様な分極電位差を含んでいるので、減算によってこの部分がキャンセルされ、正確のセンサ出力信号を得ることができる。
【０００９】
前述のセンサ構成及び測定回路を用いる効果は原理的にイオン種に関わらず成り立つ。しかし最も効果が大きい構成は、車載用に使われるガスセンサである。排気ガス中のNOx、O2、CO、HC、SOxは全て酸素イオン導電性のジルコニア固体電解質を用いることができる。車載用として、５００℃以上の高温作動が必要であり、且つエンジンノイズの影響が大きいという使用状況のもとでは、本発明のセンサ構造を用いると前述のリーク電流ノイズが大幅に低減できる。
【００１０】
【本発明の実施形態】
本発明による窒素酸化物センサの最も基本的な実施形態を説明する。
請求項１によって請求された本発明の窒素酸化物センサの基本的な部分は図４に示す。最も簡単な窒素酸化物センサであるが、一枚のジルコニア固体電解質基板に酸素ポンプとなる一対の電極を形成し、もう一枚のジルコニア固体電解質基板にNOx検知電極、酸素検知電極及び共用する参照極を形成する。さらに、この二枚の電解質基板を同様な固体電解質材料によって接続して一体化する。このセンサの酸素ポンプの一つ電極を電源回路と測定回路の共用のアースに接続し、NOx  検知電極、酸素検知電極及び参照極を測定回路に接続し、ポンプ電極をポンプ電源に接続する。このように形成したセンサ構造と測定回路によって、リーク電流に影響されなく、安定なセンサ出力を得ることができる。
【００１１】
請求項２によって請求された本発明の窒素酸化物センサの基本的な部分は図５に示す。一枚のジルコニア固体電解質基板に酸素ポンプとなる一対の電極とこれと別に、もう一枚のジルコニア固体電解質基板に形成したNOx検知電極、酸素検知電極及び共用する参照極、さらに電解質を接地するための補助電極を形成する。この二枚の電解質基板を絶縁体のアルミナ層によって接着して一体化する。このセンサの酸素ポンプの一つの電極を電源回路と測定回路の共用のアースに接続し、更に、NOx検知電極、酸素検知電極及び参照極を測定回路に接続し、ポンプ電極をポンプ電源に接続する。このように形成したセンサ構造と測定回路によって、リーク電流に影響されなく、安定なセンサ出力を得ることができる。
【００１２】
本発明によって、従来の窒素酸化物センサのNOx検知電極、或いは酸素検知電極、或いは参照電極の何れかを接地し、しかも測定部とポンプ駆動部が同一電源を用いた際、リーク電流によるセンサ電極或いは参照極の変化を無くし、センサ信号中のノイズを低減し、信頼性を高めることができる。さらに、車載用を考えると、電源と測定回路を簡略化する意義が大きい。
【００１３】
〔実施例１〕
ジルコニアイオン電導性電解質基板１１上に白金電極を四つを形成し、図６に示す構造の素子を作製した。電極９、１２を酸素ポンプ電極１７とし、電極８、１０をセンサ電極８と参照極９とする。なお、電極１を測定回路のアースと一緒に接地する。更に、ＦＥＴ入力ＯＰアンプを用いて測定回路２４を作製し、６００℃、４％酸素の雰囲気中で、酸素ポンプ１７の電圧を−１.０〜１.０Ｖの範囲で変化させ、各電極の電極電位の変化を測定した。また、接地の効果を確かめるために、接地電極とアースの間にスイッチを設けて、ＯＮとＯＦＦの二つの状態で測定した。結果は表１に示す。この結果から、接地する事によって、ノイズが大幅に低減され、測定回路が安定に作動できることが確かめた。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
〔実施例２〕
ジルコニアイオン電導性電解質基板１１上に白金電極９、１２を酸素ポンプ電極１７として形成し、NiCr2O4で電極８をNOx検知極として形成する。更に白金電極１０を参照電極として形成し、図６に示す構造の素子を作成した。なお、電極１２を測定回路のアースと一緒に接地する。更に、ＦＥＴ入力ＯＰアンプを用いて測定回路を作製し、６００℃、４％酸素の雰囲気中で、酸素ポンプの電圧を−１.０〜１.０Ｖの範囲で変化させ、各電極の電極電位の変化を測定した。また、３００ppmのNO2を導入して、センサの出力を測定した。
【００１６】
【表２】
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【００１７】
〔比較例〕
従来の構成としては、ジルコニアイオン電導性電解質基板６の上に白金電極１、２を酸素ポンプ電極として形成し、電解質基板５の上にNiCr2O4で電極３をNO検知極として、白金電極４を参照電極としてそれぞれ形成する。更に、アルミナ絶縁層７を介して電解質基板５、６を図７に示す構造に接着して素子を作成した。なお、ポンプ電極１と参照極４を測定回路のアースと一緒に接地する。更に、ＦＥＴ入力ＯＰアンプを用いて測定回路を作製し、６００℃、４％酸素の雰囲気中で、酸素ポンプの電圧を−1.０〜1.０Ｖの範囲で変化させ、各電極の電極電位の変化を測定した。
【００１８】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例の基本構成を示す正面図である。
【図２】本発明の第１実施例の実用構成を示す正面図である。
【図３】本発明の第２実施例の基本構成を示す正面図である。
【図４】本発明の第２実施例の実用構成を示す正面図である。
【図５】アルミナ絶縁層のスペーサを用いた例の正面図である。
【図６】実験に供せられたセンサの正面図である。
【図７】従来例のセンサの正面図である。
【符号の説明】
８、９、２０、２１  検知電極
１０、２２  参照極
１１、１３、１４  固体電解質基板
１２  接地電極
１６  測定部
１７  ポンプ部
２４  測定回路
【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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