(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
特定のガス成分のイオンを伝導する固体電解質を有するセンサ素子の前記固体電解質に電圧を印加することにより、前記特定の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、
前記センサ素子に内蔵されたヒータと、
前記固体電解質のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段とを有し、さらに、
前記センサ素子内に形成され、且つ、外部空間の被測定ガスが導入される第１室と、該第１室に形成された内側ポンプ電極と、前記第１室の外側に形成された外側ポンプ電極とを有し、前記第１室に導入された前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記外側ポンプ電極と前記内側ポンプ電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、
前記センサ素子内に形成され、且つ、前記主ポンプ手段にて処理された後の被測定ガスが導入される第２室と、該第２室内に形成された検出電極と、前記第２室の外側であって、且つ、基準ガスが導入される空間に形成された基準電極とを有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、
前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段と、
前記第２室内に形成された補助ポンプ電極を有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記補助ポンプ電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する補助ポンプ手段とを有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
特定のガス成分のイオンを伝導する固体電解質を有するセンサ素子の前記固体電解質に電圧を印加することにより、前記特定の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、
前記センサ素子に内蔵されたヒータと、
前記固体電解質のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、
前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段とを有し、さらに、
前記センサ素子内に形成され、且つ、外部空間の被測定ガスが導入される第１室と、該第１室に形成された内側ポンプ電極と、前記第１室の外側に形成された外側ポンプ電極とを有し、前記第１室に導入された前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記外側ポンプ電極と前記内側ポンプ電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、
前記センサ素子内に形成され、且つ、前記主ポンプ手段にて処理された後の被測定ガスが導入される第２室と、該第２室内に形成された検出電極と、前記第２室の外側であって、且つ、基準ガスが導入される空間に形成された基準電極とを有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、
前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電圧検出手段と、
前記第２室内に形成された補助ポンプ電極を有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記補助ポンプ電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する補助ポンプ手段とを有することを特徴とするガスセンサ。
【請求項３】
請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記インピーダンス検出手段は、
前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記基準電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項４】
請求項１又は２記載のガスセンサにおいて、
前記インピーダンス検出手段は、
前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記検出電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記インピーダンス検出手段は、
前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記補助ポンプ電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出することを特徴とするガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサにおいて、
前記インピーダンス検出手段は、
前記固体電解質のうち、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出する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、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関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、被測定ガス中の所望のガス成分の濃度を知るために、各種の測定方式や装置が提案されている。
【０００３】
例えば、燃焼ガス等の被測定ガス中のＮＯｘを測定する方法としては、ＲｈのＮＯｘ還元性を利用し、ジルコニア等の酸素イオン導伝性の固体電解質上にＰｔ電極及びＲｈ電極を形成してなるセンサを用いて、これら両電極間の起電力を測定するようにした手法が知られている。
【０００４】
前記のようなセンサは、被測定ガスである燃焼ガス中に含まれる酸素濃度の変化によって、起電力が大きく変化するばかりでなく、ＮＯｘの濃度変化に対して起電力変化が小さく、そのためにノイズの影響を受けやすいという問題がある。
【０００５】
また、ＮＯｘの還元性を引き出すためには、ＣＯ等の還元ガスが必須になることから、一般に大量のＮＯｘが発生する燃料過少の燃焼条件下では、ＣＯの発生量がＮＯｘの発生量を下回るようになるため、そのような燃焼条件下に形成される燃焼ガスでは測定ができないという欠点があった。
【０００６】
また、Ｐｔ電極と酸素イオン導伝性の固体電解質よりなる一組の電気化学的ポンプセルとセンサセル、及びＲｈ電極と酸素イオン導伝性の固体電解質よりなるもう一組の電気化学的ポンプセルとセンサセルを組み合わせ、それぞれのポンプ電流値の差により、ＮＯｘを測定する方式が、特開昭６３−３８１５４号公報や特開昭６４−３９５４５号公報等に明らかにされている。
【０００７】
更に、特開平１−２７７７５１号公報や特開平２−１５４３号公報等には、一対の電気化学的ポンプセルとセンサセルを二組用意し、一方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサにて、ＮＯｘが還元されない酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定すると共に、他方の一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサにて、ＮＯｘが還元される酸素分圧下で限界ポンプ電流を測定し、それら限界ポンプ電流の差を求めたり、一組のポンプセルとセンサセルからなるセンサを用い、被測定ガス中の酸素分圧をＮＯｘが還元される酸素分圧と還元され得ない酸素分圧とに切り換えて、限界電流の差を測定する方法が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のようなガスセンサにおいては、その出力値に原理上、強い温度依存性があり、温度補償の必要がある。ガスセンサの温度とガスセンサの交流抵抗（インピーダンス）には相関関係があり、具体的には、ガスセンサの温度が上昇するに従ってガスセンサのインピーダンスは低下する。
【０００９】
そこで、従来から、ガスセンサの温度補償を行う手法として、ブリッジによる定抵抗制御方法が用いられている。この定抵抗制御方法は、被測定ガス温度に基づいてヒータの全抵抗（＝ヒータ発熱部の抵抗＋ヒータリード部の抵抗）を制御するものである。
【００１０】
この定抵抗制御方法は、前記のようにヒータの全抵抗を制御することから、被測定ガス温度の上昇に伴って、素子に内蔵されるヒータリード部の抵抗値が増加した場合、ヒータ発熱部の抵抗値を下げるように制御が行われ、これによって、ヒータの出力が低下するという現象が発生する。
【００１１】
この場合、所定ガス成分の検知部分における温度が、所定の設定値から逸脱し、ガスセンサの出力特性において、所定ガス成分の濃度に対する検出電流値のシフト現象、具体的には、検出電流値が、温度の上昇に伴って所定ガス成分の濃度に基づく規定の検出電流値よりも上昇し、検出精度が劣化するという不都合がある。
【００１２】
これを解決するためには、ヒータリード部の抵抗値を極力小さくする必要が生じ、配線設計の自由度が低下するという問題が生じていた。
【００１３】
また、従来では、前記定抵抗制御方法に代わるものとして、ガスセンサのインピーダンスを計測する手段とガスセンサのインピーダンスが一定となるようにヒータへの通電を制御するようにした電流制御装置を有するガスセンサが提案されている（例えば特開昭５８−１７８２４８号公報参照）。これは、電源に交流分を重畳させ、それに伴うインピーダンスの検出回路を設け、インピーダンスが一定になるようにヒータに供給される電流を制御するというものである。
【００１４】
更に、従来では、検出されたインピーダンスに基づくヒータの電流制御系（フィードバック制御系）での発振を防止するために、直流成分のみを正帰還させるようにしたガスセンサも提案されている（例えば実公平７−４５００４号公報参照）。
【００１５】
しかしながら、従来のヒータの電流制御系を有するガスセンサにおいては、所定ガス成分を検出するための検出電極に対して交流電流を流すようにしているため、該交流電流がノイズとして現れ、検出出力のＳ／Ｎ比を劣化させるおそれがある。
【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、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧することができ、しかも、検出出力の高Ｓ／Ｎ比を実現させることができるガスセンサ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、センサ素子内における主ポンプ手段側の温度と測定用ポンプ手段（あるいは濃度検出手段）側の温度をモニタすることができ、センサ素子内の温度を高精度に制御することができるガスセンサを提供することにある。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、前記条件に加えて、センサ素子内の温度、特に検出電極近傍の温度を一定に、かつ高精度に制御することができ、検出出力の出力変動を更に抑えることができるガスセンサを提供することにある。
【００１９】
また、本発明の他の目的は、前記条件に加えて、制御回路系の簡略化を達成することができるガスセンサを提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るガスセンサは、特定のガス成分のイオンを伝導する固体電解質を有するセンサ素子の前記固体電解質に電圧を印加することにより、前記特定の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、
前記センサ素子に内蔵されたヒータと、前記固体電解質のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
そして、前記構成において、前記前記センサ素子内に形成され、且つ、外部空間の被測定ガスが導入される第１室と、該第１室に形成された内側ポンプ電極と、前記第１室の外側に形成された外側ポンプ電極とを有し、前記第１室に導入された前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記外側ポンプ電極と前記内側ポンプ電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記センサ素子内に形成され、且つ、前記主ポンプ手段にて処理された後の被測定ガスが導入される第２室と、該第２室内に形成された検出電極と、前記第２室の外側であって、且つ、基準ガスが導入される空間に形成された基準電極とを有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段とを有するようにしてもよい。
【００２２】
また、前記構成において、前記センサ素子内に形成され、且つ、外部空間の被測定ガスが導入される第１室と、該第１室に形成された内側ポンプ電極と、前記第１室の外側に形成された外側ポンプ電極とを有し、前記第１室に導入された前記被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記外側ポンプ電極と前記内側ポンプ電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理する主ポンプ手段と、前記センサ素子内に形成され、且つ、前記主ポンプ手段にて処理された後の被測定ガスが導入される第２室と、該第２室内に形成された検出電極と、前記第２室の外側であって、且つ、基準ガスが導入される空間に形成された基準電極とを有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分の量と前記基準ガスにおける前記所定のガス成分の量との差に応じた起電力を発生する濃度検出手段と、前記濃度検出手段により発生する前記起電力を検出する電圧検出手段とを有するようにしてもよい。
【００２３】
前記インピーダンス検出手段は、前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記基準電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００２４】
前記インピーダンス検出手段は、前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記検出電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００２５】
また、前記構成において、前記第２室内に形成された補助ポンプ電極を有し、前記第２室に導入された被測定ガスに含まれる前記所定のガス成分を、前記補助ポンプ電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する補助ポンプ手段を有するようにしてもよい。
【００２６】
この場合、前記インピーダンス検出手段は、前記固体電解質のうち、前記主ポンプ手段における前記内側ポンプ電極及び前記外側ポンプ電極のいずれかと、前記補助ポンプ電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００２７】
前記インピーダンス検出手段は、前記固体電解質のうち、前記補助ポンプ電極と前記基準電極との間の固体電解質のインピーダンスを検出するようにしてもよい。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るガスセンサ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１７を参照しながら説明する。
【００７１】
まず、第１の実施の形態に係るガスセンサは、図１に示すように、ＺｒＯ2 等の酸素イオン導伝性固体電解質を用いたセラミックからなる例えば６枚の固体電解質層１０ａ〜１０ｆ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１０ａ及び１０ｂ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１０ｃ及び１０ｅ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１０ｄ及び１０ｆとされている。
【００７２】
具体的には、第２の基板層１０ｂ上に第１のスペーサ層１０ｃが積層され、更に、この第１のスペーサ層１０ｃ上に第１の固体電解質層１０ｄ、第２のスペーサ層１０ｅ及び第２の固体電解質層１０ｆが順次積層されている。
【００７３】
第２の基板層１０ｂと第１の固体電解質層１０ｄ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１２）が、第１の固体電解質層１０ｄの下面、第２の基板層１０ｂの上面及び第１のスペーサ層１０ｃの側面によって区画、形成されている。
【００７４】
また、第１及び第２の固体電解質層１０ｄ及び１０ｆ間に第２のスペーサ層１０ｅが挟設されると共に、第１及び第２の拡散律速部１４及び１６が挟設されている。
【００７５】
そして、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第１及び第２の拡散律速部１４及び１６の側面並びに第１の固体電解質層１０ｄ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１８が区画、形成され、第２の固体電解質層１０ｆの下面、第２の拡散律速部１６の側面、第２のスペーサ層１０ｅの側面並びに第１の固体電解質層１０ｄ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２０が区画、形成される。
【００７６】
外部空間と前記第１室１８は、第１の拡散律速部１４を介して連通され、第１室１８と第２室２０は、前記第２の拡散律速部１６を介して連通されている。
【００７７】
ここで、前記第１及び第２の拡散律速部１４及び１６は、第１室１８及び第２室２０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。
【００７８】
特に、第２の拡散律速部１６内には、ＺｒＯ2 等からなる多孔質体が充填、配置されて、前記第２の拡散律速部１６の拡散抵抗が前記第１の拡散律速部１４における拡散抵抗よりも大きくされている。
【００７９】
そして、前記第２の拡散律速部１６を通じて、第１室１８内の雰囲気が所定の拡散抵抗の下に第２室２０内に導入される。
【００８０】
また、前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記第１室１８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２２が形成され、前記第２の固体電解質層１０ｆの上面のうち、前記内側ポンプ電極２２に対応する部分に、外側ポンプ電極２４が形成されており、これら内側ポンプ電極２２、外側ポンプ電極２４並びにこれら両電極２２及び２４間に挟まれた第２の固体電解質層１０ｆにて電気化学的なポンプセル、即ち、主ポンプセル２６が構成されている。
【００８１】
そして、前記主ポンプセル２６における内側ポンプ電極２２と外側ポンプ電極２４間に、外部の可変電源２８を通じて所望の制御電圧（ポンプ電圧）Ｖｐ１を印加して、外側ポンプ電極２４と内側ポンプ電極２２間に正方向あるいは負方向にポンプ電流を流すことにより、前記第１室１８内における雰囲気中の酸素を外部空間に汲み出し、あるいは外部空間の酸素を第１室１８内に汲み入れることができるようになっている。
【００８２】
また、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第１室１８を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部１６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３０が形成され、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、基準ガス導入空間１２に露呈する部分に基準電極３２が形成されており、これら測定電極３０、基準電極３２及び第１の固体電解質層１０ｄによって、電気化学的なセンサセル、即ち、酸素分圧検出セル３４が構成されている。
【００８３】
この酸素分圧検出セル３４は、第１室１８内の雰囲気と基準ガス導入空間１２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３０と基準電極３２との間に発生する起電力を電圧計３６にて測定することにより、前記第１室１８内の雰囲気の酸素分圧が検出できるようになっている。
【００８４】
検出された酸素分圧値は可変電源２８をフィードバック制御するために使用され、具体的には、第１室１８内の雰囲気の酸素分圧が、次の第２室２０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２６のポンプ動作が制御される。
【００８５】
このフィードバック制御を行う回路系（フィードバック制御系）３８は、具体的には、図２に示すように、測定電極３０の電位と接地電位との差（測定電圧Ｖａ）と、基準電極３２の電位と接地電位との差（基準電圧Ｖｂ）との差分をとり、所定のゲインにて増幅して出力する第１の差動増幅器４０と、該第１の差動増幅器４０の出力と参照電圧Ｖｃとの差分をとり、所定のゲインにて増幅して出力する第２の差動増幅器４２と、該第２の差動増幅器４２の出力を所定のゲインにて増幅する１段あるいは多段の増幅器４４にて構成された信号増幅系４６を有して構成されている。この場合、信号増幅系４６の出力が主ポンプセル２６の外側ポンプ電極２４に供給されるように配線接続され、内側ポンプ電極２２は接地とされる。
【００８６】
これによって、まず、被測定ガスが第１の拡散律速部１４を通じて第１室１８に導入され、そのときの測定電圧Ｖａと基準電圧Ｖｂが第１の差動増幅器４０に供給され、該第１の差動増幅器４０からは前記測定電圧Ｖａと基準電圧Ｖｂとの差分電圧Ｖｄが出力される。この差分電圧Ｖｄは、後段の第２の差動増幅器４２の例えば反転端子に印加される。この第２の差動増幅器４２においては、反転端子に供給される前記差分電圧Ｖｄと非反転端子に供給される参照電圧Ｖｃとの差分がとられ、その出力端子からは、その差分を所定のゲインにて増幅された電圧信号Ｖｅが出力される。そして、この電圧信号Ｖｅは、後段の信号増幅系４６にて所定のゲインにて増幅されてポンプ電圧Ｖｐ１として主ポンプセル２６の外側ポンプ電極２４に供給される。この場合、内側ポンプ電極２２は接地電位（０Ｖ）とされていることから、結局、主ポンプセル２６の両電極２２及び２４間の電圧は、信号増幅系４６からのポンプ電圧Ｖｐ１と等価とされる。
【００８７】
従って、主ポンプセル２６は、第１室１８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記ポンプ電圧Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す、あるいは汲み入れる。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第１室１８における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることになる。
【００８８】
なお、前記内側ポンプ電極２２及び外側ポンプ電極２４を構成する多孔質サーメット電極は、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、被測定ガスに接触する第１室１８内に配置される内側ポンプ電極２２及び測定電極３０は、測定ガス中のＮＯｘ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。
【００８９】
一方、図１に示すように、前記第２の固体電解質層１０ｆの下面のうち、前記第２室２０を形づくる下面全面には、平面ほぼ矩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３２並びに第２の固体電解質層１０ｆ、第２のスペーサ層１０ｅ及び第１の固体電解質層１０ｄ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。
【００９０】
そして、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３２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２０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１２に汲み出せるようになっている。これによって、第２室２０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１８における主ポンプセル２６の働きにより、この第２室２０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２０における酸素分圧は精度よく一定に制御される。
【００９１】
また、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第２室２０を形づくる上面であって、かつ第２の拡散律速部１６から離間した部分に、平面ほぼ矩形状の多孔質サーメット電極からなる検出電極５６が形成され、この検出電極５６を被覆するように、第３の拡散律速部５８を構成するアルミナ膜が形成されている。そして、該検出電極５６、前記基準電極３２及び第１の固体電解質層１０ｄ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６０が構成される。
【００９２】
前記検出電極５６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、これにより、第２室２０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ほか、前記基準電極３２との間に、直流電源６２を通じて一定電圧Ｖｐ３が印加されることによって、第２室２０内の雰囲気中の酸素を基準ガス導入空間１２に汲み出せるようになっている。この測定用ポンプセル６０のポンプ動作によって流れるポンプ電流Ｉｐは、電流計６４によって検出されるようになっている。
【００９３】
前記定電圧（直流）電源６２は、第３の拡散律速部５８により制限されたＮＯｘの流入下において、測定用ポンプセル６０で分解時に生成した酸素のポンピングに対して限界電流を与える大きさの電圧を印加できるようになっている。
【００９４】
更に、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第１及び第２の基板層１０ａ及び１０ｂ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、基板層１０ａ及び１０ｂとの電気的絶縁を得るために、アルミナ等のセラミックス層６８が形成されている。
【００９５】
前記ヒータ６６は、図示するように、第１室１８から第２室２０の全体にわたって配設されており、これによって、第１室１８及び第２室２０がそれぞれ所定の温度に加熱され、併せて主ポンプセル２６、酸素分圧検出セル３４、補助ポンプセル５２及び測定用ポンプセル６０も所定の温度に加熱、保持されるようになっている。
【００９６】
そして、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記検出電極５６を除く、例えば主ポンプセル２６における内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０との間に挿入接続され、かつ両電極２２及び５０間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出回路７０と、該インピーダンス検出回路７０からの検出信号に基づいて前記ヒータ６６への通電を制御するヒータ制御回路７２を具備したヒータ制御系を有する。
【００９７】
前記インピーダンス検出回路７０は、図３に示すように、前記内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間に交流を供給する交流発生回路８０と、前記電極２２及び５０間への交流供給によって該電極２２及び５０間に発生する該電極２２及び５０間のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号Ｖｆを検出する信号検出回路８２を有する。
【００９８】
前記内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０とこれら両電極２２及び５０間に挟まれた第２の固体電解質層１０ｆにて構成されるインピーダンス被測定体は、図４に示すように、等価的に抵抗Ｒと容量Ｃとが並列に接続された回路８４で表すことができる。
【００９９】
従って、前記信号検出回路８２としては、図４に示すように、前記電極２２及び５０間に発生する交流信号を前記電極２２及び５０間のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号（以下、単に検出レベルと記す）Ｖｆに変換するフィルタ回路（例えばローパスフィルタやバンドパスフィルタなど）８６にて構成することができる。
【０１００】
一方、ヒータ制御回路７２は、同じく図４に示すように、ヒステリシス付きコンパレータ８８とｐｎｐ型のパワートランジスタ９０を有して構成されている。ヒステリシス付きコンパレータ８８は、基準レベルをＥ、不感帯レベルをＶH としたとき、前記フィルタ回路８６から出力される電圧信号Ｖｆの検出レベルが正側しきい値レベル（Ｅ＋ＶH ／２）より高い場合に低レベル信号を出力し、前記検出レベルが負側しきい値レベル（Ｅ−ＶH ／２）より低い場合に高レベル信号を出力し、前記検出レベルが−ＶH ／２〜＋ＶH ／２の間にある場合に現在のレベルを維持する。
【０１０１】
パワートランジスタ９０は、そのコレクタ端子に電源Ｖｃｃが接続され、ベース端子に前記ヒステリシス付きコンパレータ８８の出力側が接続され、エミッタ端子にヒータ６６の一方の端子φ１が接続されている。なお、ヒータ６６の他方の端子φ２は接地とされている。
【０１０２】
前記パワートランジスタ９０は、前記コンパレータ８８から低レベル信号がベース端子に供給されることによってＯＮ動作し、これによって、電源Ｖｃｃからヒータ６６に駆動電流が供給され、反対に、前記コンパレータ８８から高レベル信号がベース端子に供給されることによってＯＦＦ動作し、これによって、ヒータ６６への駆動電流の供給が停止されるようになっている。
【０１０３】
前記交流発生回路８０にて発生する交流成分の周波数帯域としては、例えば３００Ｈｚ〜１００ｋＨｚ程度の範囲に設定されることが望ましく、１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚが最適である。また、前記交流成分の電圧としては、各電極が機能に支障のないレベル、例えば±５００ｍＶ以下に設定されることが望ましく、±１００〜±３００ｍＶ程度が最適である。
【０１０４】
また、ヒータ制御回路７２のコンパレータ８８に供給される基準レベルＥは、センサ素子内の被測定ガス温度が所定温度（所望の温度）となったときの検出レベルと同じレベルに設定される。
【０１０５】
次に、この第１の実施の形態に係るガスセンサの動作について説明する。まず、ガスセンサの先端部側が外部空間に配置され、これによって、被測定ガスは、第１の拡散律速部１４を通じて所定の拡散抵抗の下に、第１室１８に導入される。この第１室１８に導入された被測定ガスは、主ポンプセル２６を構成する外側ポンプ電極２４及び内側ポンプ電極２２間に所定のポンプ電圧Ｖｐ１が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が所定の値、例えば１０-7ａｔｍとなるように制御される。この制御は、図２に示すフィードバック制御系３８を通じて行われる。
【０１０６】
なお、第１の拡散律速部１４は、主ポンプセル２６にポンプ電圧Ｖｐ１を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第１室１８）に拡散流入する量を絞り込んで、主ポンプセル２６に流れる電流を抑制する働きをしている。
【０１０７】
また、第１室１８内においては、外部の被測定ガスによる加熱、更にはヒータ６６による加熱環境下においても、内側ポンプ電極２２や測定電極３０にて雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が起こらない酸素分圧下の状況が形成されている。これは、第１室１８内において、被測定ガス（雰囲気）中のＮＯｘが還元されると、後段の第２室２０内でのＮＯｘの正確な測定ができなくなるからであり、この意味において、第１室１８内において、ＮＯｘの還元に関与する成分（ここでは、内側ポンプ電極２２や測定電極３０の金属成分）にてＮＯｘが還元され得ない状況を形成する必要がある。具体的には、内側ポンプ電極２２及び測定電極３０にＮＯｘ還元性の低い材料、例えばＡｕとＰｔの合金を用いることで達成される。
【０１０８】
そして、前記第１室１８内のガスは、第２の拡散律速部１６を通じて所定の拡散抵抗の下に、第２室２０に導入される。この第２室２０に導入されたガスは、補助ポンプセル５２を構成する補助ポンプ電極５０及び基準電極３２間に所定の一定電圧Ｖｐ２が印加されることによって引き起こされる酸素のポンピング作用を受け、その酸素分圧が一定の低い酸素分圧値となるように微調整される。
【０１０９】
前記第２の拡散律速部１６は、前記第１の拡散律速部１４と同様に、補助ポンプセル５２に一定電圧Ｖｐ２を印加した際に、被測定ガス中の酸素が測定空間（第２室２０）に拡散流入する量を絞り込んで、補助ポンプセル５２に流れる電流を抑制する働きをしている。
【０１１０】
また、第２室２０内においても、第１室１８内と同様に、外部の被測定ガスによる加熱やヒータ６６による加熱環境下において、補助ポンプ電極５０によって、雰囲気中のＮＯｘが還元されない酸素分圧下の状態が形成されている。このため、前記補助ポンプ電極５０においても、内側ポンプ電極２２や測定電極３０と同様に、測定ガス中のＮＯｘ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。
【０１１１】
そして、上述のようにして第２室２０内において酸素分圧が制御された被測定ガスは、第３の拡散律速部５８を通じて所定の拡散抵抗の下に、検出電極５６に導かれることとなる。
【０１１２】
ところで、前記主ポンプセル２６を動作させて第１室１８内の雰囲気の酸素分圧をＮＯｘ測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御しようとしたとき、換言すれば、酸素分圧検出セル３４にて検出される電圧が一定となるように、フィードバック制御系３８を通じて可変電源２８のポンプ電圧Ｖｐ１を調整したとき、被測定ガス中の酸素濃度が大きく、例えば０〜２０％に変化すると、通常、第２室２０内の雰囲気及び検出電極５６付近の雰囲気の各酸素分圧は、僅かに変化するようになる。これは、被測定ガス中の酸素濃度が高くなると、測定電極３０上の第１室１８の幅方向及び厚み方向に酸素濃度分布が生じ、この酸素濃度分布が被測定ガス中の酸素濃度により変化するためであると考えられる。
【０１１３】
しかし、この第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、第２室２０に対して、その内部の雰囲気の酸素分圧を常に一定に低い酸素分圧値となるように、補助ポンプセル５２を設けるようにしているため、第１室１８から第２室２０に導入される雰囲気の酸素分圧が被測定ガスの酸素濃度に応じて変化しても、前記補助ポンプセル５２のポンプ動作によって、第２室２０内の雰囲気の酸素分圧を常に一定の低い値とすることができ、その結果、ＮＯｘの測定に実質的に影響がない低い酸素分圧値に制御することができる。
【０１１４】
そして、検出電極５６に導入された被測定ガスのＮＯｘは、該検出電極５６の周りにおいて還元又は分解されて、例えばＮＯ→１／２Ｎ2 ＋１／２Ｏ2 の反応が引き起こされる。このとき、測定用ポンプセル６０を構成する検出電極５６と基準電極３２との間には、酸素が第２室２０から基準ガス導入空間１２側に汲み出される方向に、所定の電圧Ｖｐ３、例えば４３０ｍＶ（７００℃）が印加される。
【０１１５】
従って、測定用ポンプセル６０に流れるポンプ電流Ｉｐは、第２室２０に導かれる雰囲気中の酸素濃度、即ち、第２室２０内の酸素濃度と検出電極５６にてＮＯｘが還元又は分解されて発生した酸素濃度との和に比例した値となる。
【０１１６】
この場合、第２室２０内の雰囲気中の酸素濃度は、補助ポンプセル５２にて一定に制御されていることから、例えば図５に示すように、前記測定用ポンプセル６０に流れるポンプ電流Ｉｐは、ＮＯｘの濃度に比例することになる。また、このＮＯｘの濃度は、第３の拡散律速部５８に制限されるＮＯｘの拡散量に対応していることから、被測定ガスの酸素濃度が大きく変化したとしても、測定用ポンプセル６０から電流計６４を通じて正確にＮＯｘ濃度を測定することが可能となる。
【０１１７】
例えば、補助ポンプセル５２にて制御された第２室２０内の雰囲気の酸素分圧が０．０２ｐｐｍで、被測定ガス中のＮＯｘ成分たるＮＯ濃度が１００ｐｐｍとすると、ＮＯが還元又は分解されて発生する酸素濃度５０ｐｐｍと第２室２０内の雰囲気中の酸素濃度０．０２ｐｐｍとの和（＝５０．０２ｐｐｍ）に相当するポンプ電流Ｉｐが流れることとなる。従って、測定用ポンプセル６０におけるポンプ電流値は、ほとんどがＮＯが還元又は分解された量を表し、そのため、被測定ガス中の酸素濃度に依存するようなこともない。
【０１１８】
そして、前記動作が行われている間に、インピーダンス検出回路７０を通じて、前記検出電極５６を除く、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間のインピーダンスが電圧レベルとして検出され、更に、ヒータ制御回路７２を通じて前記検出された電圧レベルに基づいてヒータ６６への通電が制御される。
【０１１９】
具体的には、被測定ガス温度が所定温度よりも低下して、前記電極２２及び５０間のインピーダンスが上昇すると、インピーダンス検出回路７０のフィルタ回路８６（図４参照）から出力される電圧信号Ｖｆのレベルも高くなる。該電圧信号Ｖｆのレベルがコンパレータ８８の正側しきい値レベル（Ｅ＋ＶH ／２）より高くなると、ヒータ制御回路７２におけるパワートランジスタ９０のベース電極に低レベル信号が供給され、ヒータ６６への通電が開始される。これにより、センサ素子内の被測定ガス温度は徐々に上昇することとなる。
【０１２０】
反対に、被測定ガス温度が所定温度よりも上昇して、前記電極２２及び５０間のインピーダンスが下降すると、前記フィルタ回路８６から出力される電圧信号Ｖｆのレベルも低くなる。該電圧信号Ｖｆのレベルがコンパレータ８８の負側しきい値レベル（Ｅ−ＶH ／２）より低くなると、ヒータ制御回路７２におけるパワートランジスタ９０のベース電極に高レベル信号が供給され、ヒータ６６への通電が停止される。これにより、センサ素子内の測定ガス温度は徐々に低下することとなる。このようにヒータ６６への通電制御をインピーダンス値に基づいて行うことにより、センサ素子内の温度を一定に保つことが可能となる。
【０１２１】
ここで、１つの実験例を示す。この実験例は、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成を有する実施例と従来の定抵抗制御を用いた比較例を、高酸素濃度／高温ガス領域を有するディーゼルエンジンの排気ガス中に置き、これら実施例と比較例の出力特性が被測定ガス温度の高低によってどれだけ変動するかをみたものである。その実験結果を図５に示す。この図５に示す特性図は、下側の横軸に外部空間中のＮＯ濃度、縦軸に電流計６４での検出電流値、上側の横軸に測定時の被測定ガス温度をとって、実施例と比較例の出力特性をプロットしたものである。この図５において、●が実施例の出力特性を示し、■が比較例の出力特性を示す。
【０１２２】
この実験結果から、比較例においては、被測定ガス温度が６００℃までの段階では、ＮＯ濃度に従った検出電流値を得ることができるが、６００℃を超えた段階から検出電流値のシフト現象、具体的には、検出電流値が、温度の上昇に伴って所定ガス成分の濃度に基づく規定の検出電流値よりも上昇するという現象が生じていることがわかる。一方、実施例においては、８００℃の段階まで、ＮＯ濃度に従った検出電流値が得られており、比較例よりも特性が向上していることがわかる。
【０１２３】
このように、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、従来の定抵抗制御方法と比較すると、ヒータリード部の抵抗値とヒータ発熱部の抵抗値との抵抗比率を厳密に作製する必要性がなくなると共に、被測定ガス温度のヒータリード部の抵抗値増加による影響を回避することができる。
【０１２４】
また、第１の実施の形態に係るガスセンサでは、検出電極５６を除く電極間のインピーダンス値を検出するようにしているため、測定用ポンプセル６０に印加される電圧Ｖｐ３がインピーダンス検出のために変動するということがなくなり、電流計６４を通じて検出されるポンプ電流Ｉｐのゆらぎやノイズの重畳等を抑圧することができる。
【０１２５】
つまり、第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧することができ、しかも、検出出力の高Ｓ／Ｎ比を実現させることができる。
【０１２６】
特に、前記第１の実施の形態に係るガスセンサにおいては、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間のインピーダンスを検出するようにしているため、第１室１８内の温度と第２室２０内の温度をモニタしながらセンサ素子内を制御することが可能となり、検出電極５６近傍の被測定ガス温度をより高精度に制御することができる。その結果、被測定ガス温度による検出出力（ポンプ電流値）の変動を有効に抑圧することができ、ガスセンサの検出精度の向上並びに信頼性の向上を実現させることができる。
【０１２７】
次に、第１の実施の形態に係るガスセンサの３つの変形例について図６〜図１１を参照しながら説明する。なお、図１及び図４と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【０１２８】
まず、第１の変形例に係るガスセンサは、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ（図１及び図４参照）とほぼ同じ構成を有するが、ヒータ制御系の構成が以下の点で異なる。
【０１２９】
即ち、ヒータ制御系は、図６に示すように、前記交流発生回路８０のほかに、２つの検波回路（第１の検波回路１００及び第２の検波回路１０２）と１つの差動増幅器１０４と、パワートランジスタ９０のベースを駆動する信号（以下、単にベース駆動信号Ｓｐと記す）のパルス幅を変調するパルス幅変調回路１３０を有して構成されている。
【０１３０】
具体的には、まず、交流発生回路８０の供給ライン間に、抵抗Ｒと容量Ｃの並列回路８４（内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０とその間の第２の固体電解質層１０ｆとで構成されるインピーダンス被測定体の等価回路）に固定抵抗Ｒａが直列接続されてなる第１の直列回路１０６と、可変抵抗Ｒｃに固定抵抗Ｒｂが直列接続されてなる第２の直列回路１０８がそれぞれ並列に接続されている。
【０１３１】
そして、これら第１及び第２の直列回路１０６及び１０８への交流供給によって並列回路（素子インピーダンス）８４に発生する交流信号Ｓａが第１の検波回路１００に供給されるように配線接続され、可変抵抗Ｒｃに発生する交流信号Ｓｂが第２の検波回路１０２に供給されるように配線接続され、更に、第１の検波回路１００の出力Ｖｇと第２の検波回路１０２の出力Ｖｈが共に後段の差動増幅器１０４に供給されるように配線接続されている。図６では、差動増幅器１０４の非反転入力端子に第１の検波回路１００の出力Ｖｇが入力され、反転入力端子に第２の検波回路１０２の出力Ｖｈが入力されるように配線接続されている例を示す。
【０１３２】
可変抵抗Ｒｃの抵抗値は、第１の直列回路１０６として接続されるインピーダンス被測定体における電極間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定される。この例では、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定される。
【０１３３】
第１の検波回路１００は、並列回路（素子インピーダンス）８４に発生する交流信号Ｓａを所定のゲインにて増幅する非反転増幅回路１１０と、該非反転増幅回路１１０からの出力Ｓｃを整流して、その出力レベルに応じた直流レベルの電圧信号Ｖｇに変換する整流回路１１２が接続されて構成されている。第２の検波回路１０２は、可変抵抗Ｒｃに発生する交流信号Ｓｂを所定のゲインにて増幅する非反転増幅回路１１４と、該非反転増幅回路１１４からの出力Ｓｄを整流して、その出力レベルに応じた直流レベルの電圧信号Ｖｈに変換する整流回路１１６が接続されて構成されている。固定抵抗Ｒａと固定抵抗Ｒｂは共に同じ抵抗値とされている。
【０１３４】
パルス幅変調回路１３０は、例えば底辺レベルが−５Ｖ、頂点レベルが＋５Ｖの所定の三角波Ｓｔを生成して出力する三角波生成回路１３２と、該三角波生成回路１３２からの三角波Ｓｔと前記差動増幅器１０４からの出力信号Ｖｉとを比較するコンパレータ１３４を有して構成されている。なお、図６では、コンパレータ１３４の反転入力端子に差動増幅器１０４からの出力信号Ｖｉが入力され、非反転入力端子に三角波生成回路１３２からの三角波Ｓｔが入力されるように配線接続されている例を示す。
【０１３５】
そして、前記差動増幅器１０４からの出力信号Ｖｉのレベルは、前記三角波Ｓｔに対する１つのしきい値を構成している。つまり、図７Ａに示すように、出力信号Ｖｉのレベルが三角波Ｓｔの頂点レベル以上の場合は、図７Ｂに示すように、コンパレータ１３４から常時低レベルのベース駆動信号が出力され、図８Ａ及び図９Ａに示すように、出力信号Ｖｉのレベルが三角波の底辺レベルより高く、頂点レベル未満である場合は、図８Ｂ及び図９Ｂに示すように、三角波Ｓｔのうち、前記出力信号Ｖｉのレベルよりも高い期間が高レベル、前記出力信号Ｖｉのレベルよりも低い期間が低レベルとされたベース駆動信号が出力されるようになっている。
【０１３６】
また、図１０Ａに示すように、出力信号Ｖｉのレベルが三角波の底辺レベル以下の場合は、図１０Ｂに示すように、コンパレータ１３４から常時高レベルのベース駆動信号が出力されるようになっている。
【０１３７】
次に、前記第１の変形例に係るガスセンサ、特にヒータ制御系の動作について説明する。まず、交流発生回路８０を通じて、インピーダンス被測定体（並列回路）８４を有する第１の直列回路１０６に交流が供給されると同時に、前記電極２２及び５０間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定された可変抵抗Ｒｃを有する第２の直列回路１０８にも交流が供給される。
【０１３８】
前記第１の直列回路１０６への交流供給によって、並列回路８４（素子インピーダンス）に発生する交流信号Ｓａが第１の検波回路１００に供給され、直流化された電圧信号Ｖｇに変換されて出力される。一方、前記第２の直列回路１０８への交流供給によって、可変抵抗Ｒｃに発生する交流信号Ｓｂが第２の検波回路１０２に供給され、直流化された電圧信号（参照信号）Ｖｈに変換されて出力される。
【０１３９】
前記第１の検波回路１００から出力される電圧信号Ｖｇと前記第２の検波回路１０２から出力される参照信号Ｖｈは共に差動増幅器１０４に供給され、該差動増幅器１０４は、前記電圧信号Ｖｇと参照信号Ｖｈとの差分をとって偏差信号Ｖｉとして出力する。
【０１４０】
前記差動増幅器１０４から出力される偏差信号Ｖｉ、特にその電圧レベルは、後段のパルス幅変調回路１３０におけるコンパレータ１３４において、三角波生成回路１３２からの三角波Ｓｔと比較される。
【０１４１】
まず、暖気期間にあっては、センサ素子温度と被測定ガス温度との温度差が非常に大きく、前記電極２２及び５０間のインピーダンスが非常に大きくなっていることから、図７Ａに示すように、偏差信号Ｖｉのレベルは三角波Ｓｔの頂点レベルを超え、ベース駆動信号Ｓｐは常時低レベルとなる。その結果、パワートランジスタ９０は常時ＯＮ状態となり、ヒータ６６に対して連続通電が行われる。
【０１４２】
ヒータ６６の連続通電によって、センサ素子温度が上昇すると、偏差信号Ｖｉのレベルが三角波Ｓｔの頂点レベル未満となり、前記偏差信号Ｖｉのレベルは、被測定ガス温度の高低に応じて前記底辺レベル〜頂点レベルの間を変動することになる（図８Ａ〜図９Ｂ参照）。
【０１４３】
そして、被測定ガス温度が所定温度よりも下降して、前記電極２２及び５０間のインピーダンスが上昇すると、図８Ａ及び図８Ｂに示すように、インピーダンス検出回路７０の差動増幅器１０４から出力される偏差信号Ｖｉのレベルも高くなり、その分、ベース駆動信号Ｓｐの低レベルのパルス幅が広くなる。その結果、ヒータ６６への通電時間が長くなり、センサ素子内の被測定ガス温度は徐々に上昇することとなる。
【０１４４】
反対に、被測定ガス温度が所定温度よりも上昇して、前記電極２２及び５０間のインピーダンスが下降すると、図９Ａ及び図９Ｂに示すように、インピーダンス検出回路７０の差動増幅器１０４から出力される偏差信号Ｖｉのレベルも低くなり、その分、ベース駆動信号Ｓｐの低レベルのパルス幅が狭くなる。その結果、ヒータ６６への通電時間が短くなり、センサ素子内の被測定ガス温度は徐々に下降することになる。
【０１４５】
このようにヒータ６６への通電制御をインピーダンス値に基づいて行うことにより、センサ素子内の温度を一定に保つことが可能となる。
【０１４６】
この第１の変形例に係るガスセンサにおいては、目標のインピーダンス値を抵抗（可変抵抗Ｒｃ）にて設定することができるため、交流信号を電圧信号に変換する第１及び第２の検波回路１００及び１０２として、オペアンプを用いた高次のローパスフィルタやバンドパスフィルタのような複雑な回路構成を有する回路デバイスを用いる必要がなくなり、簡単な例えば差動増幅器、ダイオードを用いた整流回路や１次のＣＲローパスフィルタを用いることで実現でき、回路構成の簡略化及び消費電力の低減を有効に達成させることができる。
【０１４７】
次に、第２の変形例に係るガスセンサについて図１１を参照しながら説明する。この第２の変形例に係るガスセンサは、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（図４参照）とほぼ同じ構成を有するが、ヒータ制御回路７２におけるヒステリシス付きコンパレータ８８の代わりに差動増幅器１１８が接続されている点で異なる。後段のパワートランジスタ９０は、トランジスタの飽和領域と遮断領域を使ったデジタル的なスイッチング回路ではなく、飽和領域、動作領域及び遮断領域を使用したアナログ的な電流制御回路として機能する。
【０１４８】
即ち、この第２の変形例に係るガスセンサにおいては、ヒータ６６への通電を停止せずに、前記電極２２及び５０間のインピーダンスの変化に基づいて連続的に電流供給量を制御することによって、センサ素子内の被測定ガス温度を制御する。この場合、ヒータ６６への通電開始時においてみられるような極度な電力消費を抑制することができる。
【０１４９】
この例では、差動増幅器１１８の反転端子に差動増幅器１０４からの偏差信号Ｖｉが供給され、非反転端子に基準レベルＥａが供給されるように配線接続された場合を示す。ここで、基準レベルＥａは、差動増幅器１０４からの偏差信号Ｖｉのレベル（偏差レベル）と比較する必要から、図４の基準レベルＥとは異なるレベルに設定される。具体的には、センサ素子内の被測定ガス温度が所定温度（所望の温度）となったときの偏差レベルと同じレベルに設定される。
【０１５０】
次に、第３の変形例に係るガスセンサは、ここでは図示しないが、ヒータ制御系のインピーダンス検出回路７０として、第１の実施の形態に係るガスセンサにおけるインピーダンス検出回路、即ちフィルタ回路８６を使用したインピーダンス検出回路７０とし、ヒータ制御回路７２として第２の変形例に係るガスセンサにおけるヒータ制御回路、即ち、差動増幅器１１８を使用したヒータ制御回路７２とした構成を有する。
【０１５１】
この場合、第１の実施の形態に係るガスセンサの効果と第２の変形例に係るガスセンサの効果を併せ持ったガスセンサを得ることができる。
【０１５２】
次に、第２の実施の形態に係るガスセンサについて図１２を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【０１５３】
この第２の実施の形態に係るガスセンサは、図１２に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ（図１参照）とほぼ同様の構成を有するが、主ポンプセル２６に対するフィードバック制御系３８の構成が以下の点で異なる。
【０１５４】
即ち、このフィードバック制御系３８は、前記基準電極３２と内側ポンプ電極２２との間の両端電圧Ｖｊを基準電圧Ｖｒと比較してその差分を所定のゲインにて増幅して出力する差動増幅器１２０を設け、該差動増幅器１２０からの出力電圧（差分電圧）を主ポンプセル２６へのポンプ電圧Ｖｐ１として外側ポンプ電極２４と内側ポンプ電極２２間に印加するように配線接続されて構成されている。この例においては、内側ポンプ電極２２は接地とされている。
【０１５５】
次に、前記第２の実施の形態に係るガスセンサの動作について説明すると、まず、被測定ガスが第１の拡散律速部１４を通じて第１室１８に導入され、そのときの主ポンプセル２６における内側ポンプ電極２２と基準ガス導入空間１２側に形成された基準電極３２との間の両端電圧Ｖｊが差動増幅器１２０の例えば反転端子に印加される。この差動増幅器１２０においては、反転端子に供給される前記両端電圧Ｖｊと非反転端子に供給される基準電圧Ｖｒとの差分がとられ、その出力端子からは、前記差分を所定のゲインにて増幅された電圧Ｖｐ１が取り出されることとなる。この出力電圧Ｖｐ１は、主ポンプセル２６における外側ポンプ電極２４に印加されるが、この場合、内側ポンプ電極２２は接地電位（０Ｖ）とされていることから、結局、主ポンプセル２６の両電極２２及び２４間の電圧は、前記差動増幅器１２０からの出力電圧Ｖｐ１と等価とされる。
【０１５６】
従って、主ポンプセル２６は、第１室１８に導入された被測定ガスのうち、酸素を前記出力電圧Ｖｐ１のレベルに応じた量ほど汲み出す又は汲み入れるポンプとしての機能を果たす。そして、前記一連の動作が繰り返されることによって、第１室１８における酸素濃度は、所定レベルにフィードバック制御されることとなる。
【０１５７】
この場合、差動増幅器１２０の反転端子に印加される両端電圧（測定電圧）Ｖｊを、主ポンプセル２６における内側ポンプ電極２２と基準ガス導入空間１２における基準電極３２との間の両端電圧としている。そのため、主ポンプセル２６による酸素の汲み出し量が変化して、第１室１８内における酸素の濃度が変化すると、主ポンプセル２６における内側ポンプ電極２２と基準電極３２間の両端電圧が時間遅れなく変化する（リアルタイムで変化する）ことになり、前記フィードバック制御系３８での発振現象を有効に抑えることができる。
【０１５８】
なお、前記フィードバック制御系３８においては、内側ポンプ電極２２と基準電極３２間の両端電圧Ｖｊが前記基準電圧Ｖｒと同じレベルに収束されるように前記制御電圧（出力電圧Ｖｐ１）がフィードバック制御されることとなる。
【０１５９】
この第２の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係る第１〜第３の変形例の構成を採用することができる。
【０１６０】
次に、第３の実施の形態に係るガスセンサについて図１３を参照しながら説明する。なお、図１と対応するものについては同符号を付してその重複説明を省略する。
【０１６１】
この第３の実施の形態に係るガスセンサは、図１３に示すように、前記第１の実施の形態に係るガスセンサ（図１参照）とほぼ同様の構成を有するが、測定用ポンプセル６０に代えて、酸素分圧検出セル１２２が設けられている点で異なる。
【０１６２】
この酸素分圧検出セル１２２は、第１の固体電解質層１０ｄの上面のうち、前記第２室２０を形づくる上面に形成された検出電極１２４と、前記第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成された前記基準電極３２と、これら両電極１２４及び３２間に挟まれた第１の固体電解質層１０ｄによって構成されている。
【０１６３】
この場合、前記酸素分圧検出セル１２２における検出電極１２４と基準電極３２との間に、検出電極１２４の周りの雰囲気と基準電極３２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）が発生することとなる。
【０１６４】
従って、前記検出電極１２４及び基準電極３２間に発生する起電力を電圧計１２６にて測定することにより、検出電極１２４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圧値として検出される。
【０１６５】
ここで、図１４の特性図を参照しながら前記第３の実施の形態に係るガスセンサの検出原理を説明する。
【０１６６】
まず、外部空間のＮＯ濃度が０ｐｐｍのとき、フィードバック制御系３８を通じて第１室１８内の雰囲気中の酸素濃度を主ポンプセル２６におけるポンプ電圧Ｖｐ１が３００ｍＶに相当する値（１０-7ａｔｍ）に制御すると、第２室２０内の雰囲気中の酸素濃度も１０-7ａｔｍとなり、前記第２室２０用の酸素分圧検出セル１２２における検出電極１２４と基準電極３２の間に発生する起電力は約４６０ｍＶとなる。
【０１６７】
外部空間のＮＯ濃度が徐々に増加すると、前記検出電極１２４も上述した測定用ポンプセル６０（図１参照）における検出電極５６と同様に、ＮＯｘ還元触媒として機能することから、前記検出電極１２４では、ＮＯの還元又は分解反応が引き起こされ、検出電極１２４の周りの雰囲気中の酸素濃度が上がり、これによって、検出電極１２４と基準電極３２間に発生する起電力が徐々に低下することとなる。図１４の特性図では、ＮＯ濃度が例えば３００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍというように増加するにつれて、電圧計１２６にて検出される起電力は、３００ｍＶ、２５０ｍＶ、２２０ｍＶというように徐々に低下している。
【０１６８】
そして、この起電力の低下の度合いが、ＮＯ濃度を表すことになる。つまり、前記検出電極１２４と基準電極３２と第１の固体電解質層１０ｄとから構成される第２室２０用の酸素分圧検出セル１２２から出力される起電力が、被測定ガス中のＮＯ濃度を表すことになる。
【０１６９】
この第３の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係るヒータ制御系と同様のヒータ制御系、即ち、インピーダンス検出回路７０とヒータ制御回路７２を有する。
【０１７０】
従って、この第３の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第１の実施の形態に係るガスセンサと同様に、ヒータリード部の抵抗値とヒータ発熱部の抵抗値との抵抗比率を厳密に作製する必要性がなくなると共に、被測定ガス温度のヒータリード部の抵抗値増加による影響を回避することができる。
【０１７１】
また、内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間のインピーダンス値を検出するようにしているため、酸素分圧検出セル１２２にて発生する起電力がインピーダンス検出のために変動するということがなくなり、電圧計１２６を通じて検出される起電力（電圧）のゆらぎやノイズの重畳等を抑圧することができる。これによって、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧することができ、しかも、検出出力の高Ｓ／Ｎ比を実現させることができる。
【０１７２】
しかも、検出電極１２４近傍の被測定ガス温度をより高精度に制御することができ、被測定ガス温度による検出出力（起電力）の変動を有効に抑圧することができる。これは、ガスセンサの検出精度の向上並びに信頼性の向上の実現につながる。
【０１７３】
この第３の実施の形態に係るガスセンサにおいても、前記第１の実施の形態に係る第１〜第３の変形例の構成を採用することができる。
【０１７４】
次に、第４の実施の形態に係るガスセンサについて図１５を参照しながら説明する。
【０１７５】
この第４の実施の形態に係るガスセンサは、前記第３の実施の形態に係るガスセンサと同様の構成を有するが、主ポンプセル２６に対するフィードバック制御系３８の構成が前記第２の実施の形態に係るガスセンサと同様の構成、即ち、前記基準電極３２と内側ポンプ電極２２との間の両端電圧Ｖｊを基準電圧Ｖｒと比較してその差分を所定のゲインにて増幅して出力する差動増幅器１２０が設けられ、該差動増幅器１２０からの出力電圧（差分電圧）を主ポンプセル２６へのポンプ電圧Ｖｐ１として外側ポンプ電極２４と内側ポンプ電極２２間に印加するように配線接続されて構成されている点で異なる。
【０１７６】
この第４の実施の形態に係るガスセンサにおいては、前記第３の実施の形態に係るガスセンサと同様の効果を有するほか、前記第２の実施の形態に係るガスセンサの効果、即ち、フィードバック制御系３８での発振現象を有効に抑えることができるという効果を奏する。
【０１７７】
前記第１〜第４の実施の形態に係るガスセンサ（各種変形例を含む）においては、インピーダンス検出回路７０にて内側ポンプ電極２２と補助ポンプ電極５０間のインピーダンスを検出してセンサ素子内の被測定ガス温度を制御するようにしたが、以下に示す電極間のインピーダンスを検出してセンサ素子内の被測定ガス温度を制御するようにしてもよい。
【０１７８】
(1) 外側ポンプ電極２４と補助ポンプ電極５０間
(2) 基準電極３２と補助ポンプ電極５０間
(3) 内側ポンプ電極２２と検出電極（５６又は１２４）間
(4) 外側ポンプ電極２４と検出電極（５６又は１２４）間
(5) 内側ポンプ電極２２と基準電極３２間（図１６参照）
(6) 外側ポンプ電極２４と基準電極３２間（図１７参照）
特に、(5) 及び(6) の場合においては、図１６及び図１７に示すように、第１の固体電解質層１０ｄの下面に形成される基準電極３２を、主ポンプセル２６に対応する位置（主ポンプセル２６の下方の位置）まで延長させて形成する、あるいはここでは図示しないが、基準電極３２を、第１の固体電解質層１０ｄの下面のうち、主ポンプセルに対応する位置に形成することがインピーダンスの検出精度を向上させる上で好ましい。
【０１７９】
上述した第１〜第４の実施の形態に係るガスセンサにおいては、被測定ガス成分としてＮＯｘが対象とされているが、被測定ガス中に存在する酸素の影響を受けるＮＯｘ以外の結合酸素含有ガス成分、例えばＨ2 ＯやＣＯ2 等の測定にも有効に適用することができる。
【０１８０】
なお、この発明は、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。
【０１８１】
【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によれば、外部空間に接する固体電解質と該固体電解質の内外に形成された内側ポンプ電極及び外側ポンプ電極とを有し、前記外部空間から導入された被測定ガスに含まれる所定のガス成分を、前記電極間に印加される制御電圧に基づいてポンピング処理（汲み入れ、汲み出し）する主ポンプ手段と、固体電解質と該固体電解質に形成された検出電極と基準電極とを有し、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に含まれる所定のガス成分を、前記検出電極と前記基準電極間に印加される電圧に基づいてポンピング処理する測定用ポンプ手段と、前記測定用ポンプ手段によりポンピング処理される前記所定のガス成分の量に応じて生じるポンプ電流を検出する電流検出手段と、少なくとも前記主ポンプ手段及び測定用ポンプ手段を所定の温度に加熱するヒータと、前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポンプ手段側の電極間のインピーダンスを検出するインピーダンス検出手段と、前記インピーダンス検出手段にて検出されたインピーダンス値に基づいて前記ヒータへの通電を制御するヒータ制御手段を設けるようにしている。
【０１８２】
このため、被測定ガス温度による検出出力の変動を抑圧することができ、しかも、検出出力の高Ｓ／Ｎ比を実現させることができるという効果が達成される。特に、前記主ポンプ手段側の電極と前記測定用ポンプ手段側の電極間のインピーダンスを検出するようにしているため、センサ素子における主ポンプ手段側の温度と測定用ポンプ手段（あるいは濃度検出手段）側の温度をモニタすることができ、センサ素子内の温度を高精度に制御することができる。
【０１８３】
また、前記インピーダンス検出手段にて検出される電極間のインピーダンスとして、補助ポンプ手段における補助ポンプ電極と基準電極間のインピーダンスや、主ポンプ手段における内側ポンプ電極と補助ポンプ電極間のインピーダンスを検出するようにすれば、センサ素子内における検出電極近傍の被測定ガス温度を高精度に制御することができ、検出出力の出力変動を更に抑えることができる。
【０１８４】
また、前記交流発生回路を、前記電極間のほか、該電極間の正規のインピーダンスに応じた抵抗値に設定された抵抗にも交流が供給されるように配線接続し、前記信号検出回路として、前記電極間に発生する交流信号を前記電極間のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号に変換する第１の検波回路と、前記抵抗に発生する交流信号を該抵抗のインピーダンスに応じたレベルの電圧信号に変換して参照信号とする第２の検波回路と、前記第１の検波回路から出力される電圧信号と前記第２の検波回路から出力される参照信号との差分をとり偏差信号として出力する差分回路を設けるようにすれば、制御回路系の簡略化を達成することができるという特有の効果を得ることができる。
【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を示す構成図である。
【図２】第１の実施の形態に係るガスセンサの主ポンプセルに対するフィードバック制御系を示す構成図である。
【図３】第１の実施の形態に係るガスセンサのヒータ制御系を示す構成図である。
【図４】ヒータ制御系の具体例を示す回路図である。
【図５】第１の実施の形態に係るガスセンサと同じ構成を有する実施例と従来の定抵抗制御法を用いた比較例における出力特性の被測定ガス温度依存性を示す特性図である。
【図６】第１の実施の形態に係るガスセンサの第１の変形例、特にヒータ制御系の構成を示す回路図である。
【図７】図７Ａは偏差信号のレベルが三角波の頂点レベルよりも高い場合を示す波形図であり、図７Ｂはそのときのベース駆動信号を示す波形図である。
【図８】図８Ａは偏差信号のレベルが三角波の中点レベルから頂点レベルの間にある場合を示す波形図であり、図８Ｂはそのときのベース駆動信号を示す波形図である。
【図９】図９Ａは偏差信号のレベルが三角波の底辺レベルから中点レベルの間にある場合を示す波形図であり、図９Ｂはそのときのベース駆動信号を示す波形図である。
【図１０】図１０Ａは偏差信号のレベルが三角波の底辺レベルよりも低い場合を示す波形図であり、図１０Ｂはそのときのベース駆動信号を示す波形図である。
【図１１】第１の実施の形態に係るガスセンサの第２の変形例、特にヒータ制御系におけるヒータ制御回路の構成を示す回路図である。
【図１２】第２の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図１３】第３の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図１４】第３の実施の形態に係るガスセンサの出力特性を示す特性図である。
【図１５】第４の実施の形態に係るガスセンサを示す構成図である。
【図１６】内側ポンプ電極と基準電極間のインピーダンスを検出する場合の構成例を示す図である。
【図１７】外側ポンプ電極と基準電極間のインピーダンスを検出する場合の構成例を示す図である。
【符号の説明】
１２…基準ガス導入空間          １８…第１室
２０…第２室                    ２２…内側ポンプ電極
２４…外側ポンプ電極            ２６…主ポンプセル
３０…測定電極                  ３２…基準電極
３４…酸素分圧検出セル          ３８…フィードバック制御系
５０…補助ポンプ電極            ５２…補助ポンプセル
５６…検出電極                  ６０…測定用ポンプセル
６６…ヒータ                    ７０…インピーダンス検出回路
７２…ヒータ制御回路            ８０…交流発生回路
８２…信号検出回路
８４…インピーダンス被測定体（並列回路）
８６…フィルタ回路              ８８…ヒステリシス付きコンパレータ
９０…パワートランジスタ        １００…第１の検波回路
１０２…第２の検波回路
１０４、１１０、１１４、１１８、１２０…差動増幅器
Ｒｃ…可変抵抗
【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】
0003796333.tif 000014
【図１４】
0003796333.tif 000015
【図１５】
0003796333.tif 000016
【図１６】
0003796333.tif 000017
【図１７】
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