(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部空間に接する固体電解質にて区画形成された第１処理空間に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記第１処理空間における酸素分圧を所定の値に制御する主ポンプ手段と、
固体電解質にて区画形成され、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２処理空間に含まれる所定のガス成分の酸素を、前記第２処理空間に設置された検出電極での触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素を、基準ガス導入空間との間でポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、
前記測定用ポンプ手段に、波高値が一定とされたパルス状の電流を供給することによって、酸素の濃度制御及び／又は所定のガス成分の測定を行うガスセンサであって、
前記検出電極と前記基準ガス導入空間に設置された基準電極間の電圧を測定する電圧測定回路と、
前記電圧測定回路にて測定された前記電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に応じて、前記パルス状の電流のデューティ比を制御するデューティ比制御回路と、
前記パルス状の電流のデューティ比を前記所定のガス成分の濃度に変換する測定回路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、
前記測定用ポンプ手段への電流供給ラインに抵抗が直列接続されてい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、
前記抵抗は、センサ素子の性能に応じて選択あるいは調整されることを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記所定のガス成分がＮＯｘであることを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
外部空間に接する固体電解質にて区画形成された第１処理空間に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記第１処理空間における酸素分圧を所定の値に制御する主ポンプ手段と、
固体電解質にて区画形成され、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガスが導入される第２処理空間に含まれる所定のガス成分の酸素を、前記第２処理空間に設置された検出電極での触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素を、基準ガス導入空間との間でポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、
前記測定用ポンプ手段に、波高値が一定とされたパルス状の電流を供給することによって、酸素の濃度制御及び／又は所定のガス成分の測定を行うガスセンサの制御方法であって、
前記検出電極と前記基準ガス導入空間に設置された基準電極間の電圧を測定し、
測定された前記電圧と基準電圧とを比較し、その比較結果に応じて、前記パルス状の電流のデューティ比を制御し、
前記パルス状の電流のデューティ比を前記所定のガス成分の濃度に変換することを特徴とするガスセンサの制御方法。
【請求項６】
請求項５記載のガスセンサの制御方法において、
前記所定のガス成分がＮＯｘであることを特徴とするガスセンサの制御方法。
【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その制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近時、特定のガス成分、例えば酸素を測定するために、ＺｒＯ2 固体電解質よりなる酸素イオン伝導体を用いた酸素ポンプに印加する電圧又は電流を制御し、所定の拡散抵抗のもとに酸素を汲み出し／汲み入れ、その際の限界電流を測定する酸素センサが広く知られている（例えば特開平８−２７１４７６号公報参照）。
【０００３】
また、酸素プロトンイオン伝導体を用いて、プロトンポンプを構成し、酸素センサと同様の原理で限界電流を測定し、Ｈ2 やＨ2 Ｏを測定するセンサが知られている。
【０００４】
また、特定のガス成分として、例えばＮＯｘを測定する図１５に示すようなＮＯｘセンサ２００も知られている。
【０００５】
このＮＯｘセンサ２００は、被測定ガスを第１拡散律速部２０２を通して第１空所２０４に導き、内側ポンプ電極２０６／酸素イオン伝導体２１０／外側ポンプ電極２０８で構成される第１の酸素ポンプ手段２１２により、第１空所２０４で測定ガス中の酸素を、被測定ガスが分解しない程度に汲み出し又は汲み入れを行い、次いで、被測定ガスを第２拡散律速部２１４を通して第２空所２１６に導き、第２空所２１６に配置された測定ガス分解電極２１８／酸素イオン伝導体２２０／基準空気部２２２に配置された基準電極２２４で構成される第２の酸素ポンプ手段２２６により、測定ガス分解電極２１８の触媒作用により分解発生した酸素を汲み出し、この汲み出すに要した電流値を測定するセンサである。
【０００６】
即ち、これらのガスセンサは、その特定ガス成分のイオン電流にて検出したり、センサの内部空間の所定ガス濃度をイオン電流値を制御することにより確保している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらのガスセンサは、被測定ガスの濃度が低くなると、ポンプ電流が小さくなり、その結果、検出が困難になったり、外部の電気的ノイズによって大きく精度が損なわれたりする。
【０００８】
例えば、図１５に示されるＮＯｘセンサ２００においては、被測定ガス中のＮＯｘ濃度が１０ｐｐｍになると０．０５μＡ程度の信号レベルとなり、検出が困難になるばかりか、外部の電気的ノイズにより大きく測定精度が損なわれるおそれがある。
【０００９】
そこで、本出願人は、第２空所２１６の酸素濃度を精度よく制御するために、図１６に示すようなＮＯｘセンサ２５０を提案した。このＮＯｘセンサ２５０は、第２空所２１６に補助ポンプ２５２を設けて、この補助ポンプ２５２に流れる電流が一定になるように第１空所２０４の制御酸素濃度を補正するというものである（例えば特願平７−２７２８２６号、特願平８−１２１２５３号参照）。
【００１０】
このＮＯｘセンサ２５０は、補助ポンプ電流が数μＡ以下と小さいことから、電気的なノイズ等によって、第２空所２１６の制御酸素濃度の補正が思うようにいかない場合があることが判明した。
【００１１】
一方、これらのガスセンサは、限界電流を利用することによってガス成分の濃度制御や濃度測定を行っているため、限界電流値が変化すると出力が変化することとなる。この場合、センサ個体間において限界電流値等のばらつきがあるが、現在、このセンサ個体間のばらつきを補正するために、分流抵抗を設けたり、分圧抵抗を設けるようにしている。
【００１２】
図１７は、その様子を示したものであるが、酸素ポンプ２６０に流れる電流を電流検出抵抗Ｒａで検出するに際し、可変電源２６２から酸素ポンプ２６０への電流供給を調整抵抗Ｒｂ（分流抵抗）を介して分流するようにしている。
【００１３】
例えば、ガスセンサの限界電流が大きいものについては分流抵抗Ｒｂを小さくして分流分を多くすることにより、電流検出抵抗Ｒａで検出される電流分を少なくして所定の値にする。また、逆にガスセンサの限界電流が小さいものについては、分流分を少なくして電流検出抵抗Ｒａで検出される電流を所定の値にするものである。
【００１４】
また、電流検出抵抗Ｒａの両端に発生する電圧を分圧回路を用いて分圧し、所定の出力電圧を得る方法もある。
【００１５】
しかし、これらの方法（分流抵抗方式や分圧抵抗方式）を採用する場合には、リード線が１本余分に必要となり、それに伴って、制御回路とセンサを接続するコネクタも多端子にする必要があり、コスト上問題である。
【００１６】
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、電気的ノイズ等の影響を受けにくく、高精度に所定のガス成分を測定することができるガスセンサ及びガスセンサの制御方法を提供することを目的とする。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、前記条件に加えて、端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつきを補償することができ、製造コスト上、有利となるガスセンサ及びガスセンサの制御方法を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスセンサは、外部空間に接する固体電解質にて区画形成された処理空間に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記処理空間における酸素分圧を所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定のガス成分の酸素を触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段に、波高値が一定とされたパルス状の電流を供給することによって、酸素の濃度制御及び／又は所定のガス成分の測定を行うガスセンサであって、前記分解によって発生した酸素の濃度と基準ガスに含まれる酸素の濃度との差に応じた起電力を測定する起電力測定回路と、前記起電力測定回路にて測定された前記起電力と比較電圧との差に応じて、前記パルス状の電流のデューティ比を制御するデューティ比制御回路と、前記パルス状の電流のデューティ比を前記所定のガス成分の濃度に変換する測定回路とを有することを特徴とする。
【００２０】
ここで、所定のガス成分の測定に関してみると、通常は、イオン伝導体に一定電圧を印加し、そのときにイオン伝導体に流れる特定ガス成分の量に応じた電流値を検出して所定のガス成分を測定する方法が採用されている。この場合、検出される電流値が非常に小さいため、外部の電気的ノイズによって影響を受けやすいという問題がある。
【００２６】
一方、この発明では、測定用ポンプ手段に、波高値が一定とされたパルス状の電流を供給し、更に、前記分解によって発生した酸素の濃度と基準ガスに含まれる酸素の濃度との差に応じた起電力を測定する起電力測定回路と、前記起電力測定回路にて測定された前記起電力と比較電圧との差に応じて、前記パルス状の電流のデューティ比を制御するようにしている。この場合、直流的に電流を供給する場合よりも波高値を高くすることができ、電気的ノイズ等の影響を受けにくくすることができる。また、各パルス波形のパルス幅を測定値とすることにより、入力される起電力に対する出力ダイナミックレンジを大きくとることが可能となり、測定感度の向上も図ることができる。
【００２７】
そして、前記構成において、前記測定用ポンプ手段への電流供給ラインに抵抗を直列接続するようにしてもよい。この場合、前記抵抗をセンサ素子の性能に応じて選択あるいは調整することが好ましい。これにより、端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつきを補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【００２８】
なお、この発明に係るガスセンサにおいても、被測定ガス中のＮＯｘを測定するＮＯｘセンサに使用して好適である。
【００２９】
また、本発明は、特定ガス成分のイオンを伝導するイオン伝導体に電流供給手段を通じて電流を流すことにより、特定ガス成分の濃度制御及び／又は所定のガス成分の測定を行うガスセンサにおいて、前記電流供給手段から出力される電流をパルス波形とし、前記電流供給手段に、前記パルス波形を有する電流の波高値を制御する波高値制御手段を設けて構成する。
【００３０】
この発明では、イオン伝導体に供給される電流をパルス波形とし、更に、前記パルス波形の波高値を制御するようにしている。この場合も、直流的に電流を供給する場合よりも波高値を高くすることができ、電気的ノイズ等の影響を受けにくくすることができる。その結果、入力される起電力に対する出力ダイナミックレンジを大きくとることが可能となり、測定感度の向上をも図ることができる。
【００３１】
なお、前記波高値を検出する場合は、パルス波形の電流を電圧変換して検出するようにしてもよい。
【００３２】
そして、前記構成において、前記イオン伝導体への電流供給ラインに抵抗を直列接続するようにしてもよい。この場合、前記直列抵抗をセンサ素子の性能に応じて選択あるいは調整することが好ましい。これにより、端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつきを補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【００３３】
なお、この発明に係るガスセンサにおいても、被測定ガス中のＮＯｘを測定するＮＯｘセンサに使用して好適である。
【００３４】
次に、本発明に係るガスセンサの制御方法は、外部空間に接する固体電解質にて区画形成された処理空間に導入された前記外部空間からの被測定ガスに含まれる酸素をポンピング処理して、前記処理空間における酸素分圧を所定の値に制御する主ポンプ手段と、前記主ポンプ手段にてポンピング処理された後の被測定ガス中に含まれる所定のガス成分の酸素を触媒作用及び／又は電気分解により分解させ、該分解によって発生した酸素をポンピング処理する測定用ポンプ手段とを具備し、前記測定用ポンプ手段に、波高値が一定とされたパルス状の電流を供給することによって、酸素の濃度制御及び／又は所定のガス成分の測定を行うガスセンサの制御方法であって、前記分解によって発生した酸素の濃度と基準ガスに含まれる酸素の濃度との差に応じた起電力を測定し、測定された前記起電力と比較電圧との差に応じて、前記パルス状の電流のデューティ比を制御し、前記パルス状の電流のデューティ比を前記所定のガス成分の濃度に変換することを特徴とする。
【００３７】
この発明に係るガスセンサの制御方法においては、電気的ノイズ等の影響を受けにくく、高精度に所定のガス成分を測定することができる。また、端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつきを補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【００３８】
そして、これらガスセンサの制御方法においては、被測定ガス中のＮＯｘを測定するＮＯｘセンサに使用して好適である。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサ及びその制御方法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いくつかの実施の形態例を図１〜図１４を参照しながら説明する。
【００４０】
まず、図１及び図２に示すように、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、全体として、長尺な板状体形状に構成されたセンサ本体１２と、センサ本体１２に対してパルス状の電流信号を供給するための電流供給回路１４を有して構成されている。
【００４１】
センサ本体１２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によりなる例えば６枚の固体電解質層１６ａ〜１６ｆ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１６ａ及び１６ｂとされ、下から３層目及び５層目が第１及び第２のスペーサ層１６ｃ及び１６ｅ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１６ｄ及び１６ｆとされている。
【００４２】
第２の基板層１６ｂと第１の固体電解質層１６ｄ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１８）が、第１の固体電解質層１６ｄの下面、第２の基板層１６ｂの上面及び第１のスペーサ層１６ｃの側面によって区画、形成されている。
【００４３】
また、第１及び第２の固体電解質層１６ｄ及び１６ｆ間に第２のスペーサ層１６ｅが挟設されると共に、第１及び第２の拡散律速部２０及び２２が挟設されている。
【００４４】
第２の固体電解質層１６ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部２０及び２２の側面並びに第１の固体電解質層１６ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を調整するための第１室２４が区画、形成され、第２の固体電解質層１６ｆの下面、第２の拡散律速部２２の側面、第２のスペーサ層１６ｅの側面並びに第１の固体電解質層１６ｄの上面によって、被測定ガス中の酸素分圧を微調整し、更に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２６が区画、形成される。
【００４５】
外部空間と前記第１室２４は、第１の拡散律速部２０を介して連通され、第１室２４と第２室２６は、前記第２の拡散律速部２２を介して連通されている。
【００４６】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部２０及び２２は、第１室２４及び第２室２６にそれぞれ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（例えばＺｒＯ2 等からなる多孔質体）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。また、印刷による多孔質層もしくは空隙層にて構成してもよい。なお、第１及び第２の拡散律速部２０及び２２における各拡散抵抗の大小関係は、ここでは問わないが、第２の拡散律速部２２の拡散抵抗が第１の拡散律速部２０より大きい方が好ましい。
【００４７】
前記第２の拡散律速部２２を通じて、第１室２４内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２室２６内に導入される。
【００４８】
また、前記第２の固体電解質層１６ｆの下面のうち、前記第１室２４を形づくる下面全面に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる内側ポンプ電極２８が形成され、前記第２の固体電解質層１６ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極２８に対応する部分に、外側ポンプ電極３０が形成されており、これら内側ポンプ電極２８、外側ポンプ電極３０並びにこれら両電極２８及び３０間に挟まれた第２の固体電解質層１６ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル３２が構成されている。
【００４９】
そして、前記主ポンプセル３２における内側ポンプ電極２８と外側ポンプ電極３０間に、外部の可変電源３４を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ０を印加して、外側ポンプ電極３０と内側ポンプ電極２８間に正方向あるいは負方向にポンプ電流Ｉｐ０を流すことにより、前記第１室２４内における雰囲気中の酸素を外部の外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第１室２４内に汲み入れることができるようになっている。
【００５０】
また、前記第１の固体電解質層１６ｄの上面のうち、前記第１室２４を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部２２に近接する部分に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる測定電極３６が形成され、前記第１の固体電解質層１６ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１８に露呈する部分に基準電極３８が形成されており、これら測定電極３６、基準電極３８及び第１の固体電解質層１６ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、制御用酸素分圧検出セル４０が構成されている。
【００５１】
この制御用酸素分圧検出セル４０は、第１室２４内の雰囲気と基準ガス導入空間１８内の基準ガス（大気）との間の酸素濃度差に基づいて、測定電極３６と基準電極３８との間に発生する起電力Ｖ１を電圧計４２にて測定することにより、前記第１室２４内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００５２】
前記検出された酸素分圧値は、可変電源３４のポンプ電圧Ｖｐ０をフィードバック制御系４４を通じて制御するために使用され、具体的には、第１室２４内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室２６において酸素分圧の制御を行い得るのに十分な低い所定の値となるように、主ポンプセル３２のポンプ動作が制御される。
【００５３】
なお、前記内側ポンプ電極２８、外側ポンプ電極３０及び測定電極３６は、第１室２４内に導入された被測定ガス中のＮＯｘ、例えば、ＮＯに対する触媒活性が低い不活性材料により構成される。
【００５４】
具体的には、前記内側ポンプ電極２８及び外側ポンプ電極３０は、多孔質サーメット電極にて構成することができ、この場合、Ｐｔ等の金属とＺｒＯ2 等のセラミックスとから構成されることになるが、特に、被測定ガスに接触する第１室２４内に配置される内側ポンプ電極２８及び測定電極３６は、被測定ガス中のＮＯ成分に対する還元能力を弱めた、あるいは還元能力のない材料を用いる必要があり、例えばＬａ3 ＣｕＯ4 等のペロブスカイト構造を有する化合物、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とセラミックスのサーメット、あるいはＡｕ等の触媒活性の低い金属とＰｔ族金属とセラミックスのサーメットで構成されることが好ましい。更に、電極材料にＡｕとＰｔ族金属の合金を用いる場合は、Ａｕ添加量を金属成分全体の０．０３〜３５ｖｏｌ％にすることが好ましい。
【００５５】
一方、前記第２の固体電解質層１６ｆの下面のうち、前記第２室２６を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる補助ポンプ電極５０が形成されており、該補助ポンプ電極５０及び前記基準電極３８並びに第２の固体電解質層１６ｆ、第２のスペーサ層１６ｅ及び第１の固体電解質層１６ｄにて補助的な電気化学的ポンプセル、即ち、補助ポンプセル５２が構成されている。
【００５６】
前記補助ポンプセル５２における補助ポンプ電極５０と基準電極３８間に、外部の電源５４を通じて所望の一定電圧Ｖｐ２を印加することにより、第２室２６内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１８に汲み出せるようになっている。これによって、第２室２６内の雰囲気の酸素分圧が、実質的に被測定ガス成分（ＮＯｘ）が還元又は分解され得ない状況下で、かつ目的成分量の測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値とされる。この場合、第１室２４における主ポンプセル３２の働きにより、この第２室２６内に導入される酸素の量の変化は、被測定ガスの変化よりも大幅に縮小されるため、第２室２６における酸素分圧は精度良く一定に制御される。
【００５７】
また、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、前記第１の固体電解質層１６ｄの上面のうち、前記第２室２６を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部２２から離間した部分に、平面ほぼ矩形形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極６０が形成されている。そして、該検出電極６０、前記基準電極３８及び第１の固体電解質層１６ｄによって、電気化学的なポンプセル、即ち、測定用ポンプセル６２が構成される。
【００５８】
前記検出電極６０は、被測定ガス成分たるＮＯｘを還元し得る金属であるＲｈとセラミックスとしてのジルコニアからなる多孔質サーメットにて構成され、これによって、第２室２６内の雰囲気中に存在するＮＯｘを還元するＮＯｘ還元触媒として機能するようになっている。
【００５９】
この場合、前記検出電極６０と基準電極３８との間に、検出電極６０の周りの雰囲気と基準電極３８の周りの雰囲気との間の酸素濃度差に応じた起電力（酸素濃淡電池起電力）Ｖ２が発生する。従って、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａでは、前記検出電極６０及び基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２を電流供給回路１４を通じて測定系６４にて測定することで、検出電極６０の周りの雰囲気の酸素分圧、換言すれば、被測定ガス成分（ＮＯｘ）の還元又は分解によって発生する酸素によって規定される酸素分圧が電気信号として検出されるようになっている。
【００６０】
センサ本体１２の外部には、検出電極６０に電気的に接続された第１の外部出力端子φｏ１と、基準電極３８に電気的に接続された第２の外部出力端子φｏ２がそれぞれ導出され、図３に示すように、これら第１及び第２の外部出力端子φｏ１及びφｏ２が電流供給回路１４の第１及び第２の入力端子φｉ１及びφｉ２にそれぞれ接続されることでセンサ本体１２と電流供給回路１４とが電気的に接続されるようになっている。
【００６１】
また、この実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、図２に示すように、第１及び第２の基板層１６ａ及び１６ｂにて上下から挟まれた形態において、外部からの給電によって発熱するヒータ６６が埋設されている。このヒータ６６は、酸素イオンの導伝性を高めるために設けられるもので、該ヒータ６６の上下面には、第１及び第２の基板層１６ａ及び１６ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等の絶縁層６８が形成されている。
【００６２】
前記ヒータ６６は、第１室２４から第２室２６の全体にわたって配設されており、これによって、第１室２４及び第２室２６がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル３２、制御用酸素分圧検出セル４０及び測定用ポンプセル６２も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。
【００６３】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおける電流供給回路１４は、図３に示すように、検出電極６０と基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２を測定する起電力測定回路７０と、該起電力測定回路７０にて測定された起電力Ｖ２と比較電圧発生回路７２からの比較電圧Ｖｂ（例えば４５０ｍＶ）との差分をとり、該差分を所定のゲイン（例えば１００倍）にて増幅して測定電圧Ｖｃとして出力する比較回路７４と、該比較回路７４からの測定電圧Ｖｃのレベルに応じた周波数の矩形波信号Ｓｆを出力する矩形波発生回路７６と、定電流源７８からの定電流ｉを前記矩形波発生回路７６からの矩形波信号Ｓｆに基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御する駆動回路８０とを有して構成されている。
【００６４】
前記矩形波発生回路７６は、所定の波高値で、かつ所定のパルス幅を有する矩形波を発生する発振部８２と、前記比較回路７４からの測定電圧Ｖｃのレベルに応じて前記発振部８２の発振周波数を制御する周波数変換部８４を有し、この矩形波発生回路７６からは、起電力Ｖ２の値に基づく周波数を有する矩形波信号Ｓｆが得られるようになっている。
【００６５】
ここで、前記矩形波のパルス幅は例えば１０μｓｅｃに固定され、波高値は駆動回路８０にて定電流ｉをＯＮ−ＯＦＦ制御するために必要なレベルを有する。また、前記周波数変換部８４は、起電力Ｖ２の値が比較電圧Ｖｂのレベルよりも低くなればなるほど周波数が高くなるように回路が構成されている。
【００６６】
検出電極６０につながる第１の入力端子φｉ１と負電源（−Ｖ）との間には、前記定電流源７８と駆動回路８０が接続され、該駆動回路８０によるＯＮ制御の期間（即ち、矩形波信号Ｓｆのパルス幅に相当する期間）においてのみ前記基準電極３８から検出電極６０に向かって定電流ｉが流れる。
【００６７】
つまり、駆動回路８０による定電流ｉに対するＯＮ−ＯＦＦ制御によって、矩形波信号Ｓｆのパルス幅に相当する期間で波高値が所定の値（例えば５００μＡ）とされ、それ以外の期間で波高値が例えば０μＡとされたパルス状の電流信号Ｓｉｆとなる（図５の波形ｂ参照）。
【００６８】
従って、前記定電流ｉは、矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｆのパルス幅に相当する期間において、前記基準電極３８から検出電極６０に向かって流れ、定電流ｉの波高値（例えば５００μＡ）×矩形波信号Ｓｆのパルス幅で示される電気量に対応する量の酸素が第２室２６から基準ガス導入空間１８にポンピングされる。
【００６９】
このポンピングによって第２室２６の酸素分圧が変化し、その変化が検出電極６０と基準電極３８間の起電力Ｖ２として前記起電力測定回路７０にて測定され、その起電力Ｖ２に応じた周波数を有する矩形波信号Ｓｆが駆動回路８０に供給されて、該矩形波信号Ｓｆのパルス幅に相当する期間に前記定電流ｉが前記基準電極３８から検出電極６０に向かって流れることになる。
【００７０】
図４の特性は、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０ＡのＮＯ濃度に対する矩形波信号Ｓｆの周波数との関係を示している。この特性から、ＮＯ濃度に応じて直線的に周波数が増加しており、ＮＯ濃度を測定できることが理解できる。
【００７１】
一方、測定系６４は、図３に示すように、例えば２種類の回路が考えられ、第１の測定系６４ａは、駆動回路８０によってＯＮ−ＯＦＦ制御される定電流ｉを電圧信号Ｖｉとして取り出すための抵抗Ｒ１と該抵抗Ｒ１を通じて取り出された電圧信号Ｖｉの周波数を検出する周波数検出回路９０と、該周波数検出回路９０にて検出された周波数値を例えば図４の特性等に基づいてＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路９２とを有して構成したものであり、第２の測定系６４ｂは、比較回路７４からの測定電圧ＶｃをＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路９４で構成したものである。
【００７２】
第２の測定系６４ｂは次の理由に基づく。即ち、周波数の測定は、第１の測定系６４ａのように、定電流ｉの流れるタイミングを検出してその周波数を測定してもよいが、矩形波発生回路７６の周波数変換部に入る電圧、つまり、検出電極６０と基準電極３８間の起電力Ｖ２と比較電圧発生回路７２からの比較電圧Ｖｂとの差に基づく測定電圧Ｖｃが制御のための周波数を直接表しており、この測定電圧Ｖｃを検出することでパルス状の電流信号Ｓｉｆの周波数を測定したことと等価になるからである。特に、この第２の測定系６４ｂにおいては、パルス状の電流信号Ｓｉｆの周波数を測定するための専用の回路が不要になり、回路構成の簡略化を有効に図ることができる。
【００７３】
この第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａは、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【００７４】
まず、ガスセンサ１０Ａの基準電極３８と検出電極６０間の起電力Ｖ２が起電力測定回路７０により測定される。この起電力Ｖ２は比較回路７４において比較電圧Ｖｂと比較される。比較回路７４は起電力Ｖ２と比較電圧Ｖｂとの差分をとり、更にこの差分を所定ゲインにて増幅して測定電圧Ｖｃとして出力する。
【００７５】
前記測定電圧Ｖｃは、矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｆの周波数を調整するための周波数変換部８４に導かれ、該周波数変換部８４は前記測定電圧Ｖｃに基づいて発振部８２の発振周波数を制御する。これによって、起電力Ｖ２の値に基づく周波数を有する矩形波の信号Ｓｆが得られる。
【００７６】
前記矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｆは駆動回路８０に導かれる。該駆動回路８０は、矩形波信号Ｓｆに基づいて定電流源７８からの定電流ｉをＯＮ−ＯＦＦ制御し、矩形波信号Ｓｆのパルス幅に相当する期間においてのみ定電流ｉを流し、それ以外の期間は定電流ｉの流れを停止させるという処理を行う。これによって、基準電極３８から検出電極６０に向かってパルス状の電流信号Ｓｉｆが流れることになる。
【００７７】
そして、第１の測定系６４ａにおいては、前記抵抗Ｒ１にて検出される電圧信号Ｖｉの周波数が周波数検出回路９０にて検出され、該周波数検出回路９０にて検出された周波数値が出力回路９２においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。第２の測定系６４ｂにおいては、比較回路７４からの測定電圧Ｖｃが出力回路９４においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。
【００７８】
このように、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、検出電極６０と基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２に基づいて周波数制御されたパルス状の電流信号Ｓｉｆを基準電極３８から検出電極６０に向かって流すようにしたので、次のような効果を得ることができる。
【００７９】
従来の測定方法では、例えば１０００ｐｐｍの濃度に対して、ガスセンサのポンプ電流が５μＡと低い電流値でしか検出できず、電流が小さいために外部の電気的ノイズの影響を受けやすかったが、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａでは、測定系６４（例えば第１の測定系６４ａ）において、５００μＡの波高値をもつパルス状の電流信号Ｓｉｆの周波数を測定するため、例えば仕切値を２５０μＡにして前記電流信号Ｓｉｆの周波数を測定すれば、ノイズ成分が例えば１００μＡ相当あっても正確にＮＯｘ濃度を測定できる。
【００８０】
次に、上述した第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａの具体例について、直流電流を基準電極３８から検出電極６０に向かって流すようにした場合と比較して説明する。
【００８１】
まず、直流電流を流す場合においては、図５の波形ａに示すように、例えば１０００ｐｐｍのＮＯ濃度に対して５μＡの直流電流となる。
【００８２】
ここで、１ｓｅｃの時間に注目すると、直流電流を流す場合は、５μＡ・ｓｅｃ＝５μクーロンの電気量となっている。一方、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａにおいては、この電気量（５μクーロン）と等価な電気量をもつパルス状の電流信号Ｓｉｆ（波形ｂ参照）を基準電極３８から検出電極６０に向かって流し、併せて例えば周波数検出回路９０にて単位時間における電圧信号Ｖｉのパルス数をカウントする。つまり、直流電流における直流値（５μＡ）×単位時間（１ｓｅｃ）と同じ値となるように、電流信号Ｓｉｆ（正確には矩形波信号Ｓｆ）のパルスの周波数を制御するわけである。
【００８３】
前記具体例の場合、１つのパルスのもつ電気量は１０μｓｅｃ×５００μＡ＝５０００×１０-6μクーロン＝５×１０-3μクーロンで直流の場合の１／１０００であり、従って、１ｓｅｃの時間に１０００個のパルス、即ち、１ｋＨｚの周波数を有するパルス状の電流信号Ｓｉｆを流せば、目標とするポンピング（第２室２６の酸素分圧を比較電圧Ｖｂに相当する酸素分圧とするためのポンピング）を行うことができ、同時に、ＮＯ濃度を電気的なノイズの影響を受けることなく高精度に測定することができる。
【００８４】
ところで、センサ本体１２は、その製造ばらつき等によって限界電流の大きいものや小さいものが存在する。限界電流の大きいセンサ本体１２は、限界電流の小さいセンサ本体と比して、同じＮＯｘ濃度を測定したときに、高い周波数の電流信号Ｓｉｆとなり、測定誤差を生む可能性がある。
【００８５】
これを解決するために、従来からの方法では、分流抵抗方式や分圧抵抗方式などがあるが、いずれもリード線を増やす必要があり、コスト上不利になるという不都合がある。
【００８６】
次の第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａの変形例（１０Ａａ）は、このような問題を解決することができるガスセンサであり、該ガスセンサ１０Ａａについて図６を参照しながら説明する。なお、図３と対応するものについては同符号を記す。
【００８７】
この変形例に係るガスセンサ１０Ａａは、図６に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（図３参照）とほぼ同じ構成を有するが、電流供給回路１４からの前記電流信号Ｓｉｆの供給ラインに調整用抵抗Ｒｃが直列接続されている点で異なる。図示の例では、センサ本体１２における検出電極６０と第１の外部出力端子φｏ１との間に調整用抵抗Ｒｃが直列接続されている。
【００８８】
ここで、駆動回路８０における負電源（−Ｖ）の電位を例えば−５Ｖに設定して基準電極３８と検出電極６０間の電圧を例えば５Ｖとし、調整用抵抗Ｒｃの値を例えば１０ｋΩに設定し、センサ本体１２における検出電極６０と基準電極３８間の交流に対するインピーダンスを約３００Ωに設定した場合を考える。
【００８９】
なお、検出電極６０と基準電極３８間の直流に対するインピーダンスは、約２ｋΩであるが、周波数の高い交流、例えば１０ｋＨｚ以上になると、その１／５〜１／１０になり、高周波成分を多く含む矩形波信号に対しても、前記インピーダンスは直流の場合よりも十分に小さくなる。即ち、前記インピーダンスは調整用抵抗Ｒｃに対して十分に無視できる程度の値となる。
【００９０】
これにより、電流供給回路１４の駆動によって基準電極３８から検出電極６０に向かって流れる電流信号Ｓｉｆは、波高値が５００μＡのパルスを有する電流信号Ｓｉｆになり、この波高値は調整用抵抗Ｒｃの大きさによって決定付けられる。
【００９１】
従って、センサ本体１２の限界電流が大きいもの、例えば直流電流の供給で測定した際に、例えば１０００ｐｐｍのＮＯｘ濃度に対して例えば７μＡの直流電流を流すガスセンサに対しては、調整用抵抗Ｒｃの抵抗値を下げて、基準電極３８と検出電極６０間に流れる定電流ｉの値を例えば７００μＡに設定すれば、１０００ｐｐｍのＮＯ濃度に対して５μＡを流すガスセンサと同様となる。
【００９２】
このように、この変形例に係るガスセンサ１０Ａａにおいては、調整用抵抗Ｒｃの値を変えるだけで、ＮＯｘ濃度に対するパルス周波数の関係はセンサ本体１２間のばらつき（感度のばらつき等）に関係なく一定に保持できることにつながり、従来の分流抵抗方式や分圧抵抗方式を採用する必要がなくなる。
【００９３】
即ち、この変形例に係るガスセンサ１０Ａａにおいては、リード線や端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつき（波高値、出力のばらつき）を補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【００９４】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂについて図７を参照しながら説明する。なお、図３と対応するものについては同符号を記す。
【００９５】
この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂは、図７に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（図３参照）とほぼ同じ構成を有するが、電流供給回路１４における矩形波発生回路７６が、所定の波高値で、かつ所定のパルス幅を有する矩形波を発生する発振部１００と、該発振部１００から出力されるパルス信号のデューティ比（ＯＮ／ＯＦＦ時間の比率）を前記比較回路７４からの測定電圧Ｖｃのレベルに応じて制御するデューティ比変換部１０２を有する点で異なり、この矩形波発生回路７６からは、起電力Ｖ２の値に基づくデューティ比を有する矩形波信号Ｓｄが得られるようになっている。
【００９６】
発振部１００から出力されるパルス信号の周波数は例えば１００Ｈｚに固定され、波高値は、後段の駆動回路８０にて定電流ｉをＯＮ−ＯＦＦ制御するために必要なレベルを有する。また、前記デューティ比変換部１０２は、起電力Ｖ２の値が比較電圧Ｖｂのレベルよりも低くなればなるほどデューティ比が高くなるように（パルス幅Ｐｗ（図９参照）の期間が長くなるように）回路が構成されている。
【００９７】
つまり、駆動回路８０による定電流ｉに対するＯＮ−ＯＦＦ制御によって、矩形波信号Ｓｄのパルス幅Ｐｗに相当する期間が所定の波高値（例えば１００μＡ）とされ、それ以外の期間で波高値が例えば０μＡとされたパルス状の電流信号Ｓｉｄとなる（図９の波形ｄ参照）。この電流信号Ｓｉｄの周波数は、発振部１００から出力されるパルス信号が１００Ｈｚであるため、同じ１００Ｈｚに固定される。
【００９８】
図８の特性は、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０ＢのＮＯ濃度に対する電流信号Ｓｉｄのデューティ比の関係を示している。この特性から、ＮＯ濃度に応じて直線的にデューティ比（ＯＮ時間）が増加しており、ＮＯ濃度を測定できることが理解できる。
【００９９】
測定系６４は、この第２の実施の形態においても例えば２種類の回路が考えられ、図７に示すように、第１の測定系６４ａは、抵抗Ｒ１にて取り出される電圧信号Ｖｉのデューティ比（例えばパルス幅Ｐｗ）を検出するデューティ比検出回路１０４と、該デューティ比検出回路１０４にて検出されたデューティ比を例えば図８の特性等に基づいてＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路１０６とを有して構成したものである。
【０１００】
一方、第２の測定系６４ｂは、比較回路７４からの測定電圧ＶｃをＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路９４で構成したものである。デューティ比の測定は、第１の測定系６４ａのように、電圧信号Ｖｉを検出してそのデューティ比を測定してもよいが、矩形波発生回路７６のデューティ比変換部１０２に入る電圧、つまり、検出電極６０と基準電極３８間の起電力Ｖ２と比較電圧発生回路７２からの比較電圧Ｖｂとの差に基づく測定電圧Ｖｃが直接デューティ比を表しており、この測定電圧Ｖｃを検出することでパルス状の電流信号Ｓｉｄのデューティ比を測定したことと等価になるからである。従って、この第２の測定系６４ｂにおいては、電圧信号Ｖｉのデューティ比を測定するための専用の回路が不要になり、回路構成の簡略化を有効に図ることができる。
【０１０１】
この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂは、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【０１０２】
まず、ガスセンサ１０Ｂの基準電極３８と検出電極６０間の起電力Ｖ２が起電力測定回路７０により測定される。この起電力Ｖ２は比較回路７４において比較電圧Ｖｂと比較される。比較回路７４は起電力Ｖ２と比較電圧Ｖｂの差分をとり、更にこの差分を所定ゲインにて増幅して測定電圧Ｖｃとして出力する。
【０１０３】
前記測定電圧Ｖｃは、矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｄのデューティ比を調整するためのデューティ比変換部１０２に導かれ、該デューティ比変換部１０２は、発振部１００から出力されるパルス信号のデューティ比（パルス幅Ｐｗ）を前記測定電圧Ｖｃに基づいて制御する。これによって、起電力Ｖ２の値に基づくデューティ比を有する矩形波の信号Ｓｄが得られる。
【０１０４】
前記矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｄは駆動回路８０に導かれる。該駆動回路８０は、矩形波信号Ｓｄに基づいて定電流ｉをＯＮ−ＯＦＦ制御し、矩形波信号Ｓｄのパルス幅Ｐｗに相当する期間においてのみ定電流ｉを流し、それ以外の期間は定電流ｉの流れを停止させるという処理を行い、これによって、基準電極３８から検出電極６０に向かってパルス状の電流信号Ｓｉｄが流れることになる。
【０１０５】
そして、第１の測定系６４ａにおいては、前記抵抗Ｒ１にて検出される電圧信号Ｖｉのデューティ比がデューティ比検出回路１０４にて検出され、該デューティ比検出回路１０４にて検出されたデューティ比が出力回路１０６においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。第２の測定系６４ｂにおいては、比較回路７４からの測定電圧Ｖｃが出力回路９４においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。
【０１０６】
このように、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂにおいては、検出電極６０と基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２に基づいてデューティ比が制御されたパルス状の電流信号Ｓｉｄを基準電極３８から検出電極６０に向かって流すようにしたので、次のような効果を得ることができる。
【０１０７】
従来の測定方法では、例えば１０００ｐｐｍの濃度に対して、ガスセンサのポンプ電流が５μＡと低い電流値でしか検出できず、電流が小さいために外部の電気的ノイズの影響を受けやすかったが、この第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂでは、測定系６４において、周波数が例えば１００Ｈｚで１００μＡの波高値を有するパルス状の電流信号Ｓｉｄのデューティ比、即ちパルス幅Ｐｗという時間を測定するため、ノイズの影響を受けにくく正確にＮＯｘ濃度を測定することができる。
【０１０８】
次に、上述した第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂの具体例について、直流電流を基準電極３８から検出電極６０に向かって流すようにした場合と比較して説明する。
【０１０９】
まず、直流電流を流す場合においては、図９の波形ｃに示すように、例えば１０００ｐｐｍのＮＯ濃度に対して５μＡの直流電流となる。
【０１１０】
ここで、発振部１００から出力されるパルス信号の１周期＝１０ｍｓｅｃに注目すると、直流電流を流す場合は、５μＡ・１０ｍｓｅｃ＝５０×１０-3μＡ・ｓｅｃ＝５０×１０-3μクーロンの電気量となっている。
【０１１１】
一方、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂにおいては、この電気量（５０×１０-3μクーロン）と等価な電気量をもつパルス状の電流信号Ｓｉｄを基準電極３８から検出電極６０に向かって流し、併せて例えばデューティ比検出回路１０４にて電圧信号Ｖｉのパルス幅Ｐｗを測定する。つまり、直流電流における直流値（５μＡ）×単位時間（１０ｍｓｅｃ）と同じ値となるように、電流信号Ｓｉｄ（正確には矩形波信号Ｓｄ）のパルスのデューティ比、換言すればパルス幅Ｐｗを制御するわけである。
【０１１２】
前記具体例の場合、５０×１０-3μクーロンの電気量と等価なパルス幅Ｐｗは、（５０×１０-3μＡ・ｓｅｃ）／１００μＡ＝０．５ｍｓｅｃであり、デューティ比は０．５ｍｓｅｃ／１０ｍｓｅｃで１／２０である。従って、１／２０のデューティ比のパルス信号、即ち、０．５ｍｓｅｃのパルス幅Ｐｗを有するパルス状の電流信号Ｓｉｄを流せば、目標とするポンピング（第２室２６の酸素分圧を比較電圧Ｖｂに相当する酸素分圧とするためのポンピング）を行うことができ、同時に、ＮＯ濃度を電気的なノイズの影響を受けることなく高精度に測定することができる。
【０１１３】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂの変形例（１０Ｂａ）について図１０を参照しながら説明する。なお、図７と対応するものについては同符号を記す。
【０１１４】
センサ本体１２は、その製造ばらつき等によって限界電流の大きいものや小さいものが存在するが、限界電流の大きいセンサ本体１２は、限界電流の小さいセンサ本体１２と比して、同じＮＯｘ濃度を測定したときに、高いデューティ比（長いパルス幅Ｐｗ）となり、測定誤差を生む可能性がある。
【０１１５】
この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａは、センサ本体１２の個体間のばらつきによる測定上の誤差をなくすものである。この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａは、図１０に示すように、前記第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂ（図７参照）とほぼ同じ構成を有するが、電流供給回路１４からの前記電流信号Ｓｉｄの供給ラインに調整用抵抗Ｒｃが直列接続されている点で異なる。図示の例では、センサ本体１２における検出電極６０と第１の外部出力端子φｏ１との間に調整用抵抗Ｒｃが接続されている。
【０１１６】
ここで、駆動回路８０における負電源の電位を例えば−５Ｖに設定して基準電極３８と検出電極６０間の電圧を例えば５Ｖとし、調整用抵抗Ｒｃの値を例えば５０ｋΩに設定し、センサ本体１２における検出電極６０と基準電極３８間の交流に対するインピーダンスを約３００Ωに設定した場合を考えると、電流供給回路１４の駆動によって基準電極３８から検出電極６０に向かって流れる電流は、周波数が１００Ｈｚ、波高値が１００μＡのパルスを有する電流信号Ｓｉｄになり、この波高値は調整用抵抗Ｒｃの大きさによって決定付けられる。
【０１１７】
従って、センサ本体１２の限界電流が大きいもの、例えば直流電流の供給で測定した際に、例えば１０００ｐｐｍのＮＯｘ濃度に対して７μＡの直流電流を流すガスセンサに対しては、調整用抵抗Ｒｃの抵抗値を下げて、基準電極３８と検出電極６０間に流れる定電流ｉの値を１４０μＡに設定すれば、１０００ｐｐｍのＮＯ濃度に対して５μＡを流すガスセンサと同様となる。
【０１１８】
このように、この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａにおいては、調整用抵抗Ｒｃの値を変えるだけで、ＮＯｘ濃度に対するパルス周波数の関係はセンサ本体１２間のばらつき（感度のばらつき等）に関係なく一定に保持できることにつながり、従来の分流抵抗方式や分圧抵抗方式を採用する必要がなくなる。
【０１１９】
即ち、この変形例に係るガスセンサ１０Ｂａにおいては、リード線や端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつき（波高値、出力のばらつき）を補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【０１２０】
次に、第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃについて図１１〜図１４を参照しながら説明する。なお、図３と対応するものについては同符号を記す。
【０１２１】
この第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃは、図１１に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（図３参照）とほぼ同じ構成を有するが、電流供給回路１４の構成が以下の点で異なる。
【０１２２】
即ち、この電流供給回路１４は、図１１に示すように、検出電極６０と基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２を測定する起電力測定回路７０と、該起電力測定回路７０にて測定された起電力Ｖ２と比較電圧発生回路７２からの比較電圧Ｖｂ（例えば４５０ｍＶ）との差分をとり、電圧信号Ｓａとして出力する比較回路７４と、前記比較回路７４からの電圧信号Ｓａを例えば５００倍に増幅して測定電圧信号Ｓｖとする増幅回路１１０と、周波数が１ｋＨｚでデューティ比が例えば１／１０００のパルス信号（ＯＮ期間：１μｓｅｃ，ＯＦＦ期間：９９９μｓｅｃ）Ｓｐを生成する矩形波発生回路１１２と、増幅回路１１０からの測定電圧信号Ｓｖを矩形波発生回路１１２からのパルス信号Ｓｐ（矩形波）に基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御する駆動回路１１４とを有して構成されている。
【０１２３】
駆動回路１１４の出力ラインは、第２の入力端子φｉ２に接点ｅを介して電気的に接続されて、前記駆動回路１１４から出力される電圧に応じた電流ｉｖが基準電極３８に供給されるように構成されている。この電流ｉｖは、駆動回路１１４と第２の入力端子φｉ２間に挿入接続された電流検出抵抗Ｒ２（例えば１０ｋΩ）を通じて電圧Ｖｉとして検出されるようになっている。
【０１２４】
そして、前記駆動回路１１４からは、一定の周波数及び一定のデューティ比であって、かつ、起電力Ｖ２の値に基づく電圧レベルを有するパルス状の駆動信号Ｓｖｐ（電圧信号）が得られることとなる。
【０１２５】
つまり、増幅回路１１０からの出力（測定電圧信号Ｓｖ）に対する駆動回路１１４のＯＮ−ＯＦＦ制御によって、前記駆動回路１１４からの出力は、矩形波発生回路１１２からのパルス信号Ｓｐのパルス幅に相当する期間が前記起電力Ｖ２に基づく波高値とされ、それ以外の期間で波高値が例えば０μＡとされたパルス状の駆動信号Ｓｖｐ（電圧信号）となり（図１３の波形ｇ参照）、この駆動信号Ｓｖｐに応じた電流ｉｖが基準電極３８に供給されることになる。なお、前記駆動信号Ｓｖｐの周波数は、矩形波発生回路１１２から出力されるパルス信号Ｓｐが１ｋＨｚであるため、同じ１ｋＨｚに固定される。
【０１２６】
図１２の特性は、第３の実施の形態に係るガスセンサのＮＯ濃度に対する電流ｉｖの波高値（電流ｉｖを電圧変換した後の電圧Ｖｉ）の関係を示している（実線Ａ参照）。この特性から、ＮＯ濃度に応じて直線的に電流ｉｖの波高値（電圧Ｖｉ）が増加しており、ＮＯ濃度を測定できることが理解できる。
【０１２７】
測定系６４は、この第３の実施の形態においても例えば２種類の回路が考えられ、第１の測定系６４ａは、電流検出抵抗Ｒ２にて取り出される電圧Ｖｉ（電流ｉｖの波高値に応じた電圧）を検出してそのピーク値や平均値を出力する電圧検出回路１１６と、該電圧検出回路１１６からの出力（ピーク値や平均値）を例えば図１２の特性等に基づいてＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路１１８とを有して構成したものであり、第２の測定系６４ｂは、増幅回路１１０からの測定電圧信号ＳｖをＮＯ濃度に換算して濃度値としてデジタル表示等を行う出力回路１２０で構成したものである。
【０１２８】
この第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃは、基本的には以上のように構成されるものであり、次にその作用効果について説明する。
【０１２９】
まず、ガスセンサ１０Ｃの基準電極３８と検出電極６０間の起電力Ｖ２が起電力測定回路７０により測定される。この起電力Ｖ２は比較回路７４において比較電圧Ｖｂと比較され、該比較回路７４からは、前記起電力Ｖ２と比較電圧Ｖｂとの差分が電圧信号Ｓａとして出力される。この電圧信号Ｓａは後段の増幅回路１１０において所定ゲイン（例えば５００倍）に増幅されて測定電圧信号Ｓｖとされる。
【０１３０】
前記測定電圧信号Ｓｖは駆動回路１１４に導かれ、該駆動回路１１４は入力される測定電圧信号Ｓｖを矩形波発生回路１１２からのパルス信号Ｓｐに基づいてＯＮ−ＯＦＦ制御する。これによって、起電力Ｖ２の値に基づく電圧レベルを有するパルス状の駆動信号Ｓｖｐ（電圧信号）が得られ、この駆動信号Ｓｖｐに応じた電流ｉｖが基準電極３８に供給される。このとき、前記駆動信号Ｓｖｐのパルス幅に相当する期間において、該駆動信号Ｓｖｐの電圧及び基準電極３８と検出電極６０間のインピーダンスで決まる電流ｉｖが基準電極３８と検出電極６０間に流れる。即ち、基準電極３８と検出電極６０間にパルス状の電流ｉｖが流れることになる。
【０１３１】
そして、第１の測定系６４ａにおいては、電流検出抵抗Ｒ２にて取り出される電圧Ｖｉ（電流ｉｖの波高値）が電圧検出回路１１６にて検出されてそのピーク値や平均値として出力され、そのピーク値や平均値が後段の出力回路１１８においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。第２の測定系６４ｂにおいては、増幅回路１１０からの測定電圧信号Ｓｖが出力回路１２０においてＮＯｘ濃度に換算されてデジタル表示等が行われる。
【０１３２】
このように、第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃにおいては、検出電極６０と基準電極３８間に発生する起電力Ｖ２に基づいて波高値が制御されたパルス状の電流ｉｖを基準電極３８に供給するようにしたので、次のような効果を得ることができる。
【０１３３】
従来の測定方法では、図１２の特性において破線Ｂに示すように、例えば０〜１０００ｐｐｍの濃度変化に対して、基準電極３８と検出電極６０間の電圧（ポンプ電圧）が４５０ｍＶ〜４６０ｍＶ（基準電極３８と検出電極６０間の直流インピーダンス１０ｋΩ×５μＡ＝１０ｍＶ分の増加）というように、低い変化でしか検出できないが、第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃでは、図１２の特性において実線Ａに示すように、４５０ｍＶ〜１９５０ｍＶ（基準電極３８と検出電極６０間の交流インピーダンス３００Ω×５０００μＡ＝１５００ｍＶ分の増加）という大きな変化となっており、ノイズの影響を受けにくく正確にＮＯｘ濃度を測定することができる。
【０１３４】
次に、上述した第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃの具体例について、直流電流を基準電極３８に供給するようにした場合と比較して説明する。ここでの説明は、基準電極３８に供給される電流ｉｖを電圧変換した後の電圧Ｖｉで比較した場合を示す。
【０１３５】
まず、直流電流を流す場合においては、図１３の波形ｆに示すように、起電力４５０ｍＶ＋基準電極３８と検出電極６０間の直流インピーダンスと基準電極３８と検出電極６０間に流れるポンプ電流に基づく電圧降下分２ｋΩ×５μＡ（１０００ｐｐｍ）＝４５０ｍＶ＋１０ｍＶで、そのうち、起電力分を除くと１０ｍＶの電圧が実質的に酸素のポンピングに利用される電圧である。
【０１３６】
ここで、矩形波発生回路１１２から出力されるパルス信号Ｓｐの１周期＝１ｍｓｅｃに注目すると直流電流の場合は、５μＡ×１ｍｓｅｃ＝５×１０-3μＡ・ｓｅｃ＝５×１０-3μクーロンの電気量（酸素がポンピングされる量に対応）となっている。
【０１３７】
一方、第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃにおいては、この電気量（５×１０-3μクーロン）と等価な電気量をもつパルス状の駆動信号Ｓｖｐに応じた電流ｉｖを基準電極３８に供給し、併せて例えば電圧検出回路１１６にて電流ｉｖの波高値（ピーク値や平均値）を電圧変換して測定する。つまり、直流電流における電圧変換後の直流値（１０ｍＶ）×単位時間（１ｍｓｅｃ）と同じ値となるように、電流ｉｖの波高値を制御するわけである。
【０１３８】
前記具体例の場合、５×１０-3μＡ・ｓｅｃの電気量と等価な電気量は（Ｖ／Ｒ）×１μｓｅｃであり、ここで、Ｒは基準電極３８と検出電極６０間の内部抵抗であるが、直流の場合の値２ｋΩとは大きく異なり、交流インピーダンスとしての３００Ωとなっているため、（Ｖ／３００）×１μｓｅｃである。
【０１３９】
この電気量が５×１０-3μＡ・ｓｅｃと等しくなるようにＶが定まるから、Ｖ＝５×１０-3μＡ・ｓｅｃ／（１／３００）×１μｓｅｃ＝１５００ｍＡ・Ω＝１５００ｍＶとなる。
【０１４０】
従って、周波数が１ｋＨｚ、パルス幅が１μｓｅｃ、波高値が１５００ｍＶのパルス状の駆動信号Ｓｖｐ（電圧信号）を駆動回路１１４から出力させるようにすれば、第２室２６において目標とするポンピング（第２室２６の酸素分圧を比較電圧Ｖｂに相当する酸素分圧とするためのポンピング）を行うことができ、同時に、ＮＯ濃度を電気的なノイズの影響を受けることなく高精度に測定することができる。
【０１４１】
次に、第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃの変形例（１０Ｃａ）について図１４を参照しながら説明する。なお、図１１と対応するものについては同符号を記す。
【０１４２】
この変形例に係るガスセンサ１０Ｃａは、図１４に示すように、前記第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃ（図１１参照）とほぼ同じ構成を有するが、電流供給回路１４から基準電極３８への電流供給ラインに調整用抵抗Ｒｃが直列接続されている点で異なる。図示の例では、センサ本体１２における基準電極３８と第２の外部出力端子φｏ２との間に調整用抵抗Ｒｃが接続されている。
【０１４３】
この変形例に係るガスセンサ１０Ｃａによれば、調整用抵抗Ｒｃの大きさをセンサ本体１２における限界電流値の個体間のばらつきに応じて調整することにより、ＮＯｘ濃度と駆動信号Ｓｖｐの電圧との関係を一定に保つことができるのみならず、ＮＯｘ濃度の変化に対する駆動信号Ｓｖｐの電圧の変化を更に大きくすることができるという効果がもたらされる。
【０１４４】
例えば、調整用抵抗Ｒｃとして１ｋΩを設定したとすると、上述の例の場合、駆動信号Ｓｖｐのデューティ比が１／１０００であるから、基準電極３８と検出電極６０間に流れるポンプ電流ｉｖとしては５μＡの１０００倍、即ち、５ｍＡのパルス状の電流ｉｖが流れ、調整用抵抗Ｒｃで５Ｖの電圧降下が起こり、駆動信号Ｓｖｐの電圧は、ほぼ５Ｖ＋１．５Ｖ（基準電極３８と検出電極６０間の内部抵抗による電圧降下）＋４５０ｍＶ（起電力）＝６．９５Ｖとなる。
【０１４５】
ＮＯｘ濃度が０ｐｐｍの場合は４５０ｍＶであり、ＮＯｘ濃度が０〜１０００ｐｐｍの変化に対して６．５Ｖという大きな変化として検出することができる。
【０１４６】
そして、センサ本体１２における限界電流値の個体間のばらつきに関しては、限界電流が大きいセンサ本体１２、例えば直流電流の供給で測定した際に、例えば１０００ｐｐｍのＮＯｘ濃度に対して７μＡの直流電流を流すセンサ本体１２に対しては、調整用抵抗Ｒｃ＝（６．５Ｖ−３００Ω×７ｍＡ）／７ｍＡ＝（４．４×１０００／７）＝６２９Ωとすることにより、１０００ｐｐｍ時の電圧を６．５Ｖ＋４５０ｍＶ＝６．９５Ｖとすることができる。
【０１４７】
このように、前記駆動回路１１４から出力されるパルス状の駆動信号Ｓｖｐに応じた電流ｉｖを基準電極３８に供給することにより、ＮＯｘ濃度に対する電圧Ｖｉの変化（即ち、電流ｉｖの波高値の変化）は、直流電流で測定した場合の数１００倍という高い電圧変化にすることができ、電気的ノイズの影響を受けにくいという効果が得られるばかりでなく、センサ本体１２の個体間のばらつきをも効果的に補償することができる。
【０１４８】
前記第１〜第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）においては、矩形波発生回路７６及び１１２から出力されるパルス信号のパルス形状を矩形波としたが、その他、台形波、三角波、正弦波（半波）等、どのような波形でもよい。
【０１４９】
また、起電力測定回路７０には、平滑回路を設けることが好ましい。この場合、平滑回路の時定数τとしては、矩形波発生回路７６及び１１２から出力されるパルス信号におけるパルス周期の１０倍以上とすることが好ましい。
【０１５０】
また、矩形波発生回路７６及び１１２から出力されるパルス信号の周波数の下限値としては、ガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）に要求される応答性の１／１０倍程度の周期になるようにするのが好ましい。例えば、ガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）の応答性の要求が１００ｍｓｅｃであれば、１０ｍｓｅｃの周期をもつパルス信号、即ち、１００Ｈｚ以上とするのがよい。応答性を損なうことなく、起電力Ｖ２を十分に平滑回路で平滑化することができる。
【０１５１】
そして、第１の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ（その変形例を含む）においては、矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｆのパルス幅はできるだけ短い方が好ましい。定電流ｉの波高値を高く設定できるからである。
【０１５２】
第２の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｂ（その変形例を含む）においても、矩形波発生回路７６から出力される矩形波信号Ｓｄのパルス幅Ｐｗはできるだけ短い方が好ましい。定電流ｉの波高値を高く設定できるからである。
【０１５３】
第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ｃにおいては、調整用抵抗Ｒｃを設けずにセンサ本体１２の個体間のばらつきを補正しない場合、矩形波発生回路１１２から出力されるパルス信号Ｓｐの周波数は低い方がよい。周波数が低いほど、交流インピーダンスが高くなり、駆動信号Ｓｖｐの電圧変化が大きくなるからである。
【０１５４】
第３の実施の形態に係るガスセンサの変形例１０Ｃａにおいては、調整用抵抗Ｒｃを設けてセンサ本体１２の個体間のばらつきを補正することから、前記矩形波発生回路１１２から出力されるパルス信号Ｓｐの周波数は高い方がよい。周波数が高いほど、交流インピーダンスが低くなり、調整用抵抗Ｒｃの値で決まるポンプ電流の変化が、温度変化、耐久変化等による測定用ポンプセルのインピーダンス変化に左右されにくくなるからである。
【０１５５】
前記第１〜第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）においては、基準電極３８と検出電極６０を含む測定用ポンプセル６２の制御に適用した例を示したが、その他、補助ポンプセル５２や主ポンプセル３２の制御にも適用させることができ、特に、補助ポンプセル５２の電流値が一定になるように主ポンプセル３２の補正制御を行う場合において非常に有効となる。
【０１５６】
その理由は、補助ポンプセル５２のポンプ電流は、数μＡ以下であるため、わずかな検出誤差が誤動作の要因となるが、第１〜第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）を適用することにより、前記ポンプ電流を、周波数として、パルス幅として、あるいは電圧値として大きなレンジで検出することができ、検出誤差をなくす上で有効となる。
【０１５７】
また、前記第１〜第３の実施の形態に係るガスセンサ１０Ａ〜１０Ｃ（各変形例を含む）においては、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を測定する場合について説明したが、酸素ポンプを用いた酸素センサ、可燃ガスセンサ、ＣＯ2 センサ、Ｈ2 Ｏセンサ等にも適用させることができ、プロトンイオン伝導体を用いたＨ2 センサ、Ｈ2 Ｏセンサ、あるいはそれらの特定のガスの濃度を制御するための制御用のポンプにも適用させることができる。
【０１５８】
なお、この発明に係るガスセンサ及びガスセンサの制御方法は、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。
【０１５９】
【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及びガスセンサの制御方法によれば、電気的ノイズ等の影響を受けにくく、高精度に所定のガス成分を測定することができる。
【０１６０】
また、端子を増加させなくてもセンサ個体間のばらつきを補償することができ、製造コスト上、有利となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す平面図である。
【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサの構成を示す断面図（図１におけるＩＩ線上の断面図）である。
【図３】第１の実施の形態に係るガスセンサの回路系を示すブロック図である。
【図４】第１の実施の形態に係るガスセンサにおいて、ＮＯ濃度の変化に対するパルス状の電流信号の周波数の変化を示す特性図である。
【図５】第１の実施の形態に係るガスセンサにおけるパルス状の電流信号の波形を直流電流波形と共に示す波形図である。
【図６】第１の実施の形態に係るガスセンサの変形例の回路系を示すブロック図である。
【図７】第２の実施の形態に係るガスセンサの回路系を示すブロック図である。
【図８】第２の実施の形態に係るガスセンサにおいて、ＮＯ濃度の変化に対するパルス状の電流信号のデューティ比の変化を示す特性図である。
【図９】第２の実施の形態に係るガスセンサにおけるパルス状の電流信号の波形を直流電流波形と共に示す波形図である。
【図１０】第２の実施の形態に係るガスセンサの変形例の回路系を示すブロック図である。
【図１１】第３の実施の形態に係るガスセンサの回路系を示すブロック図である。
【図１２】第３の実施の形態に係るガスセンサにおいて、ＮＯ濃度の変化に対するパルス状の駆動信号の電圧の変化を示す特性図である。
【図１３】第３の実施の形態に係るガスセンサにおけるパルス状の駆動信号の波形を直流電圧波形と共に示す波形図である。
【図１４】第３の実施の形態に係るガスセンサの変形例の回路系を示すブロック図である。
【図１５】従来例に係るガスセンサの構成を示す断面図である。
【図１６】提案例に係るガスセンサの構成を示す断面図である。
【図１７】従来の分流抵抗方式の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
１０Ａ、１０Ａａ、１０Ｂ、１０Ｂａ、１０Ｃ、１０Ｃａ…ガスセンサ
１２…センサ本体                      １４…電流供給回路
３２…主ポンプセル                    ３８…基準電極
６０…検出電極                        ６２…測定用ポンプセル
６４…測定系                          ７０…起電力測定回路
７２…比較電圧発生回路                ７４…比較回路
７６、１１２、１２０…矩形波発生回路  ７８…定電流源
８０、１１４、１２２…駆動回路        ８２、１００…発振部
８４…周波数変換部                    ９０…周波数検出回路
９２、９４、１０６、１１８、１２０…出力回路
１０２…デューティ比変換部            １０４…デューティ比検出回路
１１０…増幅回路                      １１６…電圧検出回路
Ｒｃ…調整用抵抗                      Ｒ２…電流検出抵抗
【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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