JP2002372514A

JP2002372514A - ガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP2002372514A
Application number: JP2001181874A
Authority: JP
Inventors: Mitsunobu Niwa; 三信丹羽; Hidekazu Kurokawa; 英一黒川; Satoshi Haneda; 聡羽田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-26
Also published as: US20020189942A1; DE10226667A1

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス濃度検出に影響を及ぼすことなく素子抵抗
を好適に検出すること。【解決手段】ガス濃度センサ１００は、チャンバーに導
入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込むポンプセ
ル１１０と、ポンプセル１１０を通過した後のガスから
特定ガス成分の濃度を検出するためのセンサセル１３０
と、チャンバー内の残留酸素濃度を検出するためのモニ
タセル１２０とを備える。制御回路２００は、センサセ
ル１３０に流れた電流を検出し、その検出値から特定ガ
ス成分の濃度を逐次検出する。また、制御回路２００
は、センサセル１３０以外のセル、例えばモニタセル１
２０に対して印加する電圧又は電流を所定周期で一時的
に切り換え、その時の電圧変化及び電流変化から素子イ
ンピーダンス（素子抵抗）を検出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、少なくともポンプ
セル、センサセル及びモニタセルを有するガス濃度セン
サを用い、当該ガス濃度センサの検出結果から特定ガス
成分の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、例えば自動車の排ガス
中のＮＯｘ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からなる
３セル構造を有し、ポンプセルでは、チャンバーに導入
した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ、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（特定ガス成分の濃度）が検出される。また、モニ
タセルでは、チャンバー内の余剰酸素量が検出される。

【０００３】更に、ガス濃度センサにおいては、上記の
各セルを所定の活性温度に保持するためのヒータが設け
られている。この場合、各セルが設けられる固体電解質
素子の抵抗値（素子抵抗）を検出し、その素子抵抗が活
性温度相当の値になるよう、ヒータの通電を制御してい
る。より具体的には、素子抵抗の検出値と目標値との偏
差に応じてヒータの通電をフィードバック制御してい
る。

【０００４】また、素子抵抗の検出方法として、掃引法
による交流インピーダンスを検出する手法が従来より提
案されており、上記ガス濃度センサでは、掃引法を用
い、センサセルを対象に素子抵抗が検出される（例え
ば、特開２０００−１７１４３９号公報）。すなわち、
素子抵抗の検出時には、センサセルの印加電圧が正側又
は負側の少なくと何れかに一時的に切り換えられ、その
時の電圧変化量と電流変化量とから素子抵抗が検出され
る。この場合、センサセルを対象に素子抵抗が検出され
ることにより、センサセルの温度変動が抑制され、ひい
てはＮＯｘ濃度の検出精度が向上できるようになってい
た。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
通り掃引法を用いてセンサセルの素子抵抗を検出する場
合、その素子抵抗の検出期間では、センサセル印加電圧
が一時的に切り換えられるためＮＯｘ濃度の検出はでき
ない。すなわち、素子抵抗の検出期間は、ＮＯｘ濃度の
不検出期間となる。特に、素子抵抗の検出後には、セン
サセル印加電圧が元の電圧値に完全に収束するまでＮＯ
ｘ濃度検出を待つ必要がある。以上のことから、ＮＯｘ
濃度の不検出期間に対する対策が望まれている。

【０００６】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、ガス濃度検出に
影響を及ぼすことなく素子抵抗を好適に検出することが
できるガス濃度検出装置を提供することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明で
は、ガス濃度検出手段により、センサセルに流れた電流
が検出され、その検出値から特定ガス成分の濃度が逐次
検出される。また、素子抵抗検出手段により、センサセ
ル以外のセルに対して印加する電圧又は電流が所定周期
で一時的に切り換えられ、その時の電圧変化及び電流変
化から素子抵抗（素子インピーダンス）が検出される。
上記構成では、素子抵抗の検出がセンサセル以外のセル
を対象に実施されるため、素子抵抗の検出に際し、セン
サセルでのガス濃度検出が中断されることはない。すな
わち、ＮＯｘ濃度等のガス濃度の不検出期間ができるこ
とはない。従って、ガス濃度検出に影響を及ぼすことな
く素子抵抗を好適に検出することができる。

【０００８】上記発明では、請求項２に記載したよう
に、モニタセルを対象に素子抵抗を検出したり、請求項
３に記載したように、ポンプセルを対象に素子抵抗を検
出したりすると良い。すなわち、請求項２の発明では、
モニタセルに対して印加する電圧又は電流が一時的に切
り換えられて素子抵抗が検出される。また、請求項３の
発明では、ポンプセルに対して印加する電圧又は電流が
一時的に切り換えられて素子抵抗が検出される。

【０００９】また、請求項４に記載したように、センサ
セルに近接するセルを対象に素子抵抗を検出すると良
い。この場合、センサセルとそれに近接するセルとは、
素子抵抗が概ね一致する。それ故に、一方のセルを活性
状態に保持することで、他方のセル（センサセル）も同
様に活性状態に保持できるようになる。なおこの場合、
センサセルに近接するセルとは、センサセルと同一チャ
ンバーに配置されるセル、或いはセンサセルと同一固体
電解質素子に配置されるセル等を指す。

【００１０】更に、３セル構造のガス濃度センサ以外
に、ポンプセル又はモニタセルの少なくとも何れかが複
数設けられた４セル構造、５セル構造等のガス濃度セン
サも存在する。この場合、請求項５に記載したように、
複数設けられるポンプセル又はモニタセルのうち、セン
サセルに最も近接するセルを対象に素子抵抗を検出する
と良い。

【００１１】請求項６に記載の発明では、前記ガス濃度
センサには各セルを加熱するためのヒータが設けられて
いる。そして、ヒータ制御手段によれば、前記素子抵抗
検出手段により検出した素子抵抗を用い、その素子抵抗
の検出値が所望の目標値に一致するようヒータの通電が
制御される。この場合、ヒータの通電により、各セルが
所望の活性状態で保持されるようになる。

【００１２】また、請求項７に記載の発明では、ガス濃
度センサにおいて、モニタセルとセンサセルとが同一の
固体電解質素子に設けられ、固体電解質素子を挟んで対
向するモニタセル及びセンサセルの各々一対の電極のう
ち、一方が共通電極とされている。そして、前記共通電
極とは異なる方のモニタセル電極に対し、印加する電圧
又は電流が一時的に切り換えられ、その時の電圧変化及
び電流変化から素子抵抗が検出される。この場合、モニ
タセルとセンサセルとで電極が共通化されるため、構成
の簡素化が実現できる。また、素子抵抗検出のために電
圧又は電流が一時的に操作される電極は、共通電極では
ない方のモニタセル電極であるため、センサセルで逐次
実施されるガス濃度検出が中断されることはない。それ
故やはり、ガス濃度検出に影響を及ぼすことなく素子抵
抗を好適に検出することができる。

【００１３】ところで、モニタセルでは残留酸素を検出
する際に数μＡ（マイクロアンペア）程度の電流しか流
れないのに対し、素子抵抗検出のための掃引時には数ｍ
Ａ（ミリアンペア）程度の電流が流れる。このオーダー
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等の不都合が
生じる。そこで、請求項８に記載の発明では、残留酸素
濃度検出時と素子抵抗検出時とで、電流検出抵抗の抵抗
値を切り換える。これにより、上記不都合が解消され
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】（第１の実施の形態）以下、この
発明を具体化した第１の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
ば自動車用ガソリンエンジンに適用されるものであっ
て、限界電流式のガス濃度センサを用い、被検出ガスで
ある排ガスから酸素濃度を検出すると共に、特定ガス成
分の濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。

【００１５】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、ポンプ
セル、センサセル及び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。なお、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。

【００１６】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）１
４１，１４２は板状をなし、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１
４１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チャンバー１４４内に導入される。第１チャンバー１
４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバー１４６に
連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。

【００１７】図の下側の固体電解質１４２には、第１チ
ャンバー１４４に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チャンバー
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、そ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チャンバー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チャンバー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。

【００１８】また、図の上側の固体電解質１４１には、
第２チャンバー１４６に面するようにしてモニタセル１
２０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チャンバー１４６内の余剰酸素濃度に
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。

【００１９】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
からなり、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４
１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電
極１２２とからなる。なお、モニタセル１２０の電極１
２１（第２チャンバー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チャンバー１４６側の
電極）はＮＯｘガスに活性なＰｔ等の貴金属からなる。

【００２０】因みに、図３（ａ）は、モニタセル１２０
及びセンサセル１３０の電極を第２チャンバー１４６側
から見た平面断図であり、図３（ｂ）は、これら各セル
の電極を大気通路１４８側から見た平面断図である。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）に配置しても良い。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。

【００２１】固体電解質１４２の図の下面には絶縁層１
４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５
０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ーを発生させ
る。

【００２２】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１４１
ａを通って第１チャンバー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１１０の電極１１１，１１２間に電圧を印加
することで分解反応が起こり、第１チャンバー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チャンバー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に流れた電流により、排ガス中に含まれ
る酸素濃度が検出される。

【００２３】その後、ポンプセル１１０近傍を通過した
排ガスは第２チャンバー１４６に流れ込み、モニタセル
１２０では、ガス中の余剰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、該モニタセル１２０
の電極１２１，１２２間に所定の電圧を印加すること
で、モニタセル電流として検出される。また、センサセ
ル１３０の電極１３１，１２２間に所定の電圧を印加す
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。その際、センサ
セル１３０に流れた電流により、排ガス中に含まれるＮ
Ｏｘ濃度が検出される。

【００２４】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は、前述のガス濃度セ
ンサ１００を用いたガス濃度検出装置であるが、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。

【００２５】図１において、制御回路２００は、ＣＰ
Ｕ、Ａ／Ｄコンバータ、Ｄ／Ａコンバータ、Ｉ／Ｏポー
ト等を備える周知のマイクロコンピュータで構成されて
おり、各セル１１０〜１３０の印加電圧をＤ／Ａコンバ
ータ（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）より適宜出力する。また、
制御回路２００は、各セル１１０〜１３０に流れる電流
を測定すべく、各端子Ｖｃ、Ｖｅ、Ｖｄ、Ｖｂ、Ｖｇ、
Ｖｈの電圧をＡ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）
より各々入力する。制御回路２００は、ポンプセル１１
０やセンサセル１３０での測定電流に基づいて排ガス中
の酸素濃度やＮＯｘ濃度を検出し、その検出値をＤ／Ａ
コンバータ（Ｄ／Ａ４，Ｄ／Ａ３）より外部に出力す
る。

【００２６】回路構成について詳しくは、ポンプセル１
１０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を介して制御回路２００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が制御回路２
００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。

【００２７】また、モニタセル１２０及びセンサセル１
３０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１
２２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を介して制御回路２
００の指令電圧Ｖｇが印加される。指令電圧Ｖｇの印加
に際し、排ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンサセル１３
０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が制御回路２００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。

【００２８】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）２
０９、オペアンプ２１０及び電流検出抵抗２１１を介し
て制御回路２００の指令電圧Ｖｃが印加される。指令電
圧Ｖｃの印加に際し、排ガス中のＮＯｘ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２
１１の両端子電圧Ｖｃ，Ｖｅが制御回路２００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。

【００２９】また本実施の形態では、モニタセル１２０
を対象に、掃引法を用いて素子インピーダンスが検出さ
れるようになっている。つまり、モニタセル１２０のイ
ンピーダンス検出時において、制御回路２００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に印加される。交流電圧の周波数は１０
ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ２０９の時定数は５μｓ
ｅｃ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。

【００３０】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１
４１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、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。

【００３１】ところで、モニタセル１２０では残留酸素
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。このオーダー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する。

【００３２】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）とを設ける。そして、制御回路
２００のＩ／Ｏポートからの出力により、スイッチ回路
２１３をオン／オフ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をオフ
（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
オン（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。

【００３３】また、制御回路２００内のＣＰＵは、制御
指令値ＤｕｔｙをＩ／Ｏポートから出力してＭＯＳＦＥ
Ｔドライバ２５１を駆動する。このとき、ＭＯＳＦＥＴ
２５２により電源２５３（例えばバッテリ電源）からヒ
ータ１５１へ供給される電力がＰＷＭ制御される。

【００３４】次に、上記の如く構成されガス濃度検出装
置の作用を説明する。図４は、制御回路２００により実
施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートで
あり、同ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い
起動される。

【００３５】図４において、先ずステップ１００では、
前回のＡ／Ｆ（酸素濃度）及びＮＯｘ濃度の検出時から
所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔ
ａは、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出周期に相当する時間
であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。
そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にス
テップ１１０に進み、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出処理
を実施する。

【００３６】この場合、Ａ／Ｆ（酸素濃度）の検出処理
では、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じたポンプセ
ル印加電圧を設定すると共に、その電圧印加時のポンプ
セル電流Ｉｐを検出する。そして、該検出したポンプセ
ル電流ＩｐをＡ／Ｆ値に変換する。また、ＮＯｘ濃度の
検出処理では、所定のセンサセル印加電圧を設定すると
共に、その電圧印加時のセンサセル電流Ｉｓを検出す
る。そして、該検出したセンサセル電流ＩｓをＮＯｘ濃
度値に変換する。

【００３７】Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出後、ステップ
１２０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定
時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂ
は、素子インピーダンスＺＡＣの検出周期に相当する時
間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍ
ｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そし
て、ステップ１２０がＹＥＳであることを条件に、ステ
ップ１３０で素子インピーダンスＺＡＣを検出すると共
に、続くステップ１４０でヒータ通電制御を実施する。
素子インピーダンスＺＡＣの検出処理については後で詳
しく説明する。

【００３８】ヒータ通電制御に関しては本発明の要旨で
はなく、素子インピーダンスＺＡＣが所望の目標値に一
致するようヒータ通電が制御されるものであれば、任意
の制御手法が適用できる。その一例としては、ガス濃度
センサ１００の素子温が低く、素子インピーダンスＺＡ
Ｃが比較的大きい場合には、例えばデューティ比１００
％の全通電制御によりヒータ１５１が通電される。ま
た、素子温が上昇すると、周知のＰＩＤ制御手法等を用
いて制御デューティ比が算出され、そのデューティ比に
よりヒータ１５１が通電される。

【００３９】次に、前記図４のステップ１３０における
素子インピーダンスＺＡＣの検出手順を図５を用いて説
明する。図５において、先ずステップ１３１では、スイ
ッチ回路２１３をオフからオンに切り換える。これによ
り、それまで数１００ｋΩ程度であった検出抵抗が数１
００Ω程度に切り換えられる。また、ステップ１３２で
は、モニタセル１２０の印加電圧（指令電圧Ｖｃ）を操
作し、それまでの残留酸素濃度検出用の印加電圧に対し
て電圧を正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単
発的に変化させる。

【００４０】その後、ステップ１３３では、その時のモ
ニタセル印加電圧の変化量とモニタセル電流Ｉｍの変化
量とを読み取り、続くステップ１３４では、電圧変化量
と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣを算出す
る（ＺＡＣ＝電圧変化量／電流変化量）。更に、ステッ
プ１３５では、スイッチ回路２１３をオンからオフに戻
し、その後元の図４のルーチンに戻る。

【００４１】なお本実施の形態では、図４のステップ１
１０が特許請求の範囲に記載した「ガス濃度検出手段」
に、図４のステップ１３０が同「素子抵抗検出手段」
に、図４のステップ１４０が同「ヒータ制御手段」に、
それぞれ相当する。

【００４２】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。ガス濃度センサ１００のモニタ
セル１２０を対象に素子インピーダンスＺＡＣを検出し
たので、素子インピーダンスＺＡＣの検出に際し、セン
サセル１３０でのＮＯｘ濃度検出が中断されることはな
い。すなわち、ＮＯｘ濃度の不検出期間ができることは
ない。また同様に、ポンプセル１１０でのＡ／Ｆ検出
（酸素濃度検出）が中断されることはなく、Ａ／Ｆの不
検出期間ができることもない。従って、ＮＯｘ濃度検出
やＡ／Ｆ検出に影響を及ぼすことなく素子インピーダン
スＺＡＣを好適に検出することができる。

【００４３】またこの際、モニタセル１２０とセンサセ
ル１３０とは近接した状態で配置されており、モニタセ
ル１２０での素子インピーダンスＺＡＣに基づきヒータ
通電が制御されることで、これらモニタセル１２０とセ
ンサセル１３０とが共に所望の活性状態で保持されるよ
うになる。つまり、センサセル１３０での温度変動が抑
制され、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。

【００４４】また、ガス濃度センサ１００において、モ
ニタセル１２０とセンサセル１３０とで一方の電極が共
通化されており、共通電極ではない方のモニタセル電極
で印加電圧が一時的に切り換えられ、素子インピーダン
スＺＡＣが検出される。そのため、構成の簡素化を図り
つつ、適正なるインピーダンス検出を実施することがで
きる。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０で
共通電極を設けず、各セルで別個に電極を設けても良
い。この場合、モニタセル印加電圧を一時的に変化させ
る電極は、モニタセル１２０の何れの電極であっても良
い。

【００４５】モニタセル１２０による残留酸素濃度検出
時とインピーダンス検出時とで、電流検出抵抗の抵抗値
を切り換えたので、モニタセル１２０での電流検出に際
し、オーバーレンジしたり、検出精度が悪くなったりす
る等の不都合が解消される。

【００４６】（第２の実施の形態）次に、本発明におけ
る第２の実施の形態について、上述した第１の実施の形
態との相違点を中心に説明する。上記実施の形態では、
モニタセル１２０を対象に素子インピーダンスを検出し
たのに対し、本実施の形態では、ポンプセル１１０を対
象に素子インピーダンスを検出する。

【００４７】ガス濃度検出装置の構成上の違いとして
は、ポンプセル１１０でのインピーダンス検出に際し
て、制御回路２００から出力されるポンプセル印加電圧
（指令電圧Ｖｂ）を正弦波的になますことができるよ
う、制御回路２００のＤ／Ａ１にＬＰＦを接続する。ま
た、前記図５に代えて、図６を用いて素子インピーダン
スＺＡＣを検出する。

【００４８】図６について説明すれば、先ずステップ２
０１では、ポンプセル１１０の印加電圧（指令電圧Ｖ
ｂ）を操作し、それまでのＡ／Ｆ検出用の印加電圧に対
して電圧を正側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で
単発的に変化させる。その後、ステップ２０２では、そ
の時のポンプセル印加電圧の変化量とポンプセル電流Ｉ
ｐの変化量とを読み取る。続くステップ２０３では、電
圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＺＡＣ
を算出する（ＺＡＣ＝電圧変化量／電流変化量）。

【００４９】因みに、ポンプセル１１０で素子インピー
ダンスＺＡＣを検出する場合、Ａ／Ｆ検出時及びインピ
ーダンス検出時には何れも数ｍＡ程度の電流が流れる。
そのため、前記図１のようなスイッチ回路２１３を設け
て検出抵抗の切り換えを行う必要はない。

【００５０】以上第２の実施の形態では、やはり素子イ
ンピーダンスＺＡＣの検出に際し、センサセル１３０で
のＮＯｘ濃度検出が中断されることはない。すなわち、
ＮＯｘ濃度の不検出期間ができることはない。従って、
ＮＯｘ濃度検出に影響を及ぼすことなく、素子インピー
ダンスＺＡＣを好適に検出することができる。

【００５１】またこの場合、ポンプセル１１０が所望の
活性状態に保持できるため、ポンプセル１１０での酸素
排出機能が適正に作用し、チャンバー内の余剰酸素濃度
を一定に保つことができる。それ故に、ＮＯｘ濃度の検
出精度を確保することができる。

【００５２】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。上記各実施の形態では、図２の構造のガス
濃度センサ１００について適用例を説明したが、勿論他
のガス濃度センサについて適用しても良く、適用可能な
ガス濃度センサの具体例を以下に説明する。なお以下の
説明のガス濃度センサにおいて、既述のガス濃度センサ
１００と同等の部材については同一の符号を付し、その
説明を省略する。何れのガス濃度センサにおいても、前
記図５のインピーダンス検出ルーチンを用い、モニタセ
ル１２０を対象に素子インピーダンスを検出すれば良
い。或いは、前記図６のインピーダンス検出ルーチンを
用い、ポンプセル１１０を対象に素子インピーダンスを
検出すれば良い。

【００５３】（１）図７に示すガス濃度センサ３００で
は、ポンプセル１１０が図の上側の固体電解質１４１
に、モニタセル１２０及びセンサセル１３０が図の下側
の固体電解質１４２にそれぞれ設けられている。すなわ
ち、前記図２のガス濃度センサ１００に対して、ポンプ
セル１１０の位置と、モニタセル１２０及びセンサセル
１３０の位置とが上下逆になっている。なお、モニタセ
ル１２０及びセンサセル１３０は、既述の通り排ガスの
流れ方向に対して同等位置になるよう配置されていれば
良く、例えば排ガスの流れ方向に対して左右に又は前後
に配置されれば良い。

【００５４】（２）図８に示すガス濃度センサ４００で
は、モニタセル１２０が第１チャンバー１４４に、セン
サセル１３０が第２チャンバー１４６にそれぞれ設けら
れている。すなわち、モニタセル１２０とセンサセル１
３０とが同じ固体電解質で、且つ異なるチャンバーに設
けられている。

【００５５】（３）図９に示すガス濃度センサ５００で
は、モニタセル１２０が図の下側の固体電解質１４２
に、センサセル１３０が図の上側の固体電解質１４１に
それぞれ設けられている。すなわち、モニタセル１２０
とセンサセル１３０とが同じチャンバーで、且つ異なる
固体電解質に設けられている。上記（２），（３）の場
合にも、モニタセル１２０とセンサセル１３０との位置
は比較的近く、モニタセル１２０でのインピーダンス制
御によりセンサセル１３０も同様に制御される。

【００５６】（４）上記した３セル構造のガス濃度セン
サ以外に、４つ以上のセルを有するガス濃度センサにも
本発明が適用できる。例えば、図１０（ａ）のガス濃度
センサ６００では、既述のモニタセル１２０に加え、第
１チャンバー１４４に第２のモニタセル１６０が新たに
設けられている。また、図１０（ｂ）のガス濃度センサ
７００では、既述のポンプセル１１０に加え、その下流
側の第２チャンバー１４６に第２のポンプセル１７０が
設けられている。図１０（ａ），（ｂ）の場合、センサ
セル１３０に近い方のセルを対象にインピーダンス検出
を実施するのが望ましく、図１０（ａ）では、モニタセ
ル１２０でインピーダンス検出を実施すると良く、図１
０（ｂ）では、第２のポンプセル１７０でインピーダン
ス検出を実施すると良い。図示は省略するが、５セル構
造のガス濃度センサに適用できることは言うまでもな
い。

【００５７】（５）ポンプセル、モニタセル及びセンサ
セル以外に、インピーダンス検出専用のセルを設け、そ
のセルでインピーダンス検出を実施しても良い。例え
ば、センサセルと同じ固体電解質に、或いは同じチャン
バーにインピーダンス検出用セルを設け、そのセルの印
加電圧を一時的に切り換えて素子インピーダンスを検出
する。

【００５８】（６）ガス濃度センサでは、ポンプセル付
近においてチャンバー内の酸素濃度に応じた起電力出力
を得るためのλセルを設けたものがある。勿論、このガ
ス濃度センサにも本発明が適用できる。つまり、図１１
のガス濃度センサ８００において、図の上側の固体電解
質１４１にはλセル１８０が設けられている。そして、
電圧計１８１によりλセル１８０の起電力が計測され、
その計測値が制御回路２００に取り込まれるようになっ
ている。

【００５９】一方で、前記図２のガス濃度センサ１００
の如く、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を配置する場
合、これら各セル１２０，１３０のそれぞれの電極形状
を変更しても良い。例えば、互いに向き合う波形状、櫛
歯形状にしても良い。また、各電極を非対称形に設ける
ことも可能である。

【００６０】上記各実施の形態では、インピーダンス検
出に際し、モニタセル１２０又はポンプセル１１０の印
加電圧を一時的に切り換えたが、これに代えて、モニタ
セル１２０又はポンプセル１１０に流れる電流を一時的
に切り換えても良く、何れにしても、その際の電流変化
量と電圧変化量とから素子インピーダンスが検出され
る。

【００６１】ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの
他に、特定ガス成分の濃度として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、
ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、セン
サ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。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。

【図２】ガス濃度センサの構成を示す断面図。

【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。

【図４】マイコンによるメインルーチンを示すフローチ
ャート。

【図５】素子インピーダンスの検出手順を示すフローチ
ャート。

【図６】第２の実施の形態における素子インピーダンス
の検出手順を示すフローチャート。

【図７】別のガス濃度センサを示す断面図。

【図８】別のガス濃度センサを示す断面図。

【図９】別のガス濃度センサを示す断面図。

【図１０】別のガス濃度センサを示す断面図。

【図１１】別のガス濃度センサを示す断面図。

【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チャンバー、１４６…第２チ
ャンバー、１５１…ヒータ、２００…制御回路、２１
１，２１２…電流検出抵抗。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０１Ｎ 27/46 ３２５Ｄ３２５Ｑ３２５Ｐ３１１Ｇ (72)発明者羽田聡愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 2G060 AA09 AD01 AD04 AF03 AF06 AG08 AG11 BB09 GA03 HA02 HB06 HC09 HC13 HC19 HC21 HE02 KA01 KA03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャンバーに導入した被検出ガス中の酸素
を排出又は汲み込むポンプセルと、ポンプセルを通過し
た後のガスから特定ガス成分の濃度を検出するためのセ
ンサセルと、チャンバー内の残留酸素濃度を検出するた
めのモニタセルとを少なくとも備えるガス濃度センサを
用い、各セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値に基
づき各セルを活性状態に保持するガス濃度検出装置にお
いて、センサセルに流れた電流を検出し、その検出値から特定
ガス成分の濃度を逐次検出するガス濃度検出手段と、センサセル以外のセルに対して印加する電圧又は電流を
所定周期で一時的に切り換え、その時の電圧変化及び電
流変化から素子抵抗を検出する素子抵抗検出手段と、を
備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】前記素子抵抗検出手段は、モニタセルを対
象に素子抵抗を検出する請求項１に記載のガス濃度検出
装置。
【請求項３】前記素子抵抗検出手段は、ポンプセルを対
象に素子抵抗を検出する請求項１に記載のガス濃度検出
装置。
【請求項４】前記ガス濃度センサは、センサセルとそれ
以外の少なくとも一つのセルが近接した状態で配置され
ており、前記素子抵抗検出手段は、センサセルに近接す
るセルを対象に素子抵抗を検出する請求項１に記載のガ
ス濃度検出装置。
【請求項５】前記ガス濃度センサには、ポンプセル又は
モニタセルの少なくとも何れかが複数設けられており、
前記素子抵抗検出手段は、複数設けられるポンプセル又
はモニタセルのうち、センサセルに最も近接するセルを
対象に素子抵抗を検出する請求項１に記載のガス濃度検
出装置。
【請求項６】前記ガス濃度センサには各セルを加熱する
ためのヒータが設けられており、前記素子抵抗検出手段
により検出した素子抵抗を用い、その素子抵抗の検出値
が所望の目標値に一致するようヒータの通電を制御する
ヒータ制御手段を更に備える請求項１〜５の何れかに記
載のガス濃度検出装置。
【請求項７】モニタセルとセンサセルとを同一の固体電
解質素子に設けると共に、固体電解質素子を挟んで対向
するモニタセル及びセンサセルの各々一対の電極のう
ち、一方を共通電極としたガス濃度センサであって、前記素子抵抗検出手段は、前記共通電極とは異なる方の
モニタセル電極に対し、印加する電圧又は電流を一時的
に切り換え、その時の電圧変化及び電流変化から素子抵
抗を検出する請求項２に記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】モニタセルには電流検出のための電流検出
抵抗が接続されており、残留酸素濃度検出時と素子抵抗
検出時とで、前記電流検出抵抗の抵抗値を切り換える請
求項２又は７に記載のガス濃度検出装置。