JP2007198901A - センサ制御装置、センサユニット - Google Patents

Abstract

【課題】センサのブラックニングを防止しかつ回路規模の増加を抑制することができるセンサ制御装置およびこれを含むセンサユニットを提供すること。
【解決手段】固体電解質体、一端電極、他端電極を含むセルであって被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能なセルの一端電極に接続され得、該接続された状態でセルの一端電極に対して正負にわたる電流を出力可能な第１の端子と、セルの他端電極に接続され得、該接続された状態で、第１の端子の電流出力によってセルの他端電極に生じる電流のシンクまたはソースとして機能し、かつ該接続された状態でセルの他端電極に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する第２の端子とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体電解質体および一対の電極を含み、排気ガス等の被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能なセルまたはそのセルを有するセンサを駆動する回路を備えたセンサ制御装置およびこれを含むセンサユニットに関する。

エンジンなどの内燃機関に供給する混合気の空燃比を所定に制御する目的で、排気ガス中の酸素濃度を検出するため、広域に酸素濃度の検出ができるポンプ電流式酸素センサが用いられている。ポンプ電流式酸素センサは、板状をなす酸素イオン伝導性の固体電解質体の両面に電極をそれぞれ配置した２つのセル（起電力セルとポンプセル）を中空のガス検出室を介して積層した構成を備える。

起電力セルにおける一対の電極のうち一方側はガス検出室に面し、他方側は閉塞された基準酸素室を形成するように遮蔽板によって覆われる。なお、基準酸素室に所定の酸素を蓄えるために、起電力セルの両電極間には微弱な電流が流される。また、ポンプセルにおける一対の電極のうち一方側はガス検出室に面し、他方側は排気ガス（被測定ガス）に晒されるようにセンサ外部に配置される。ガス検出室とセンサ外部とは多孔質のガス拡散律速層で隔てられ、このガス拡散律速層を介して排気ガスがガス検出室に導入される。

ポンプセルの電極間には、ガス検出室の酸素濃度を所定値（通常は理論空燃比に対応する濃度）とするように（換言すれば、起電力セルの出力が理論空燃比に対応した値となるように）センサ制御装置により電流（ポンプ電流）が流される。この電流の値は、被測定ガス中の酸素濃度に広域にわたって対応する値となるため、この電流を検出することで被測定ガスの酸素濃度を検出できる。ここで、ポンプセルを流れる電流によりこのポンプセルに電圧が発生するが、ポンプセルが固体電解質体によって構成されることから、過電圧にならないよう注意が必要である。過電圧が印加されると、固体電解質体にいわゆるブラックニングが生じ最悪の場合センサの破壊に至るからである。

このような過電圧の印加は、ポンプセルの固体電解質体に急激な冷却が起こった場合や活性化した直後の場合（すなわちポンプセルの内部抵抗が比較的高いとき）に発生する。ポンプセルに過電圧が印加されるのを防止するため、例えば、下記特許文献１では、起電力セルに発生させるべき目標電圧を所望の値から強制的にシフトし、これによりポンプセルの電極間に流される電流を減少化する構成が記載されている。しかし、この構成では、センサ制御装置として回路規模が増大し集積化した場合にチップ面積が相当程度に大きくなる。
特開２００２−２５７７７２号公報（段落００３４、図２）

本発明は、上記した事情を考慮してなされたもので、被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能なセルまたはそのセルを有するセンサを駆動する回路を備えたセンサ制御装置、およびこれを含むセンサユニットにおいて、固体電解質体のブラックニングを防止しかつ回路規模の増加を抑制することができるセンサ制御装置およびセンサユニットを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るセンサ制御装置は、固体電解質体、一端電極、他端電極を含むセルであって被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能な前記セルの前記一端電極に接続され得、該接続された状態で前記セルの前記一端電極に対して正負にわたる電流を出力可能な第１の端子と、前記セルの前記他端電極に接続され得、該接続された状態で、前記第１の端子の電流出力によって前記セルの前記他端電極に生じる電流のシンクまたはソースとして機能し、かつ該接続された状態で前記セルの前記他端電極に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する第２の端子とを具備することを特徴とする。

すなわち、このセンサ制御装置は、セルの一端電極に対して電流出力する第１の端子と、セルの他端電極に発生する電流のシンクまたはソースとして機能する第２の端子とを有する。そして、この第２の端子は、セルの他端電極に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を同時に有している。したがって、この制限値を、セル（固体電解質体）にブラックニングを誘発するような電圧未満となるように設定しておくことにより、セルに過電圧が印加されることを防止できる。また、背景技術で述べたような起電力セルに発生させるべき目標電圧を強制的にシフトための構成を必要としないので回路規模の増加を抑制できる。

また、本発明に係るセンサユニットは、第１の固体電解質体、第１の一対の電極を含むポンプセルと、第２の固体電解質体、第２の一対の電極を含む起電力セルとを備え、前記ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定成分の濃度を広域に検出可能なセンサと、前記センサの前記ポンプセルの前記第１の一対の電極の一方に接続され、該接続された状態で該電極の一方に対して正負にわたる電流を出力可能な第１の端子と、前記センサの前記ポンプセルの前記第１の一対の電極の他方に接続され、該接続された状態で、前記第１の端子の電流出力によって該電極の他方に生じる電流のシンクまたはソースとして機能し、かつ該接続された状態で該電極の他方に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する第２の端子とを備えたセンサ制御装置とを具備することを特徴とする。

このセンサユニットは、上記のセンサ制御装置と、ポンプセルと起電力セルを有するセンサとを接続したものである。したがってこの構成により、ポンプセルの固体電解質体にブラックニングが生じるのを防止できる。また、背景技術で述べたような、起電力セルに発生させるべき目標電圧を強制的にシフトための構成を必要とせず、回路規模の増加を抑制できる。

本発明によれば、被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能なセルまたはそのセルを有するセンサを駆動する回路を備えたセンサ制御装置、およびこれを含むセンサユニットにおいて、固体電解質体のブラックニングを防止しかつ回路規模の増加を抑制することができる。

本発明の実施態様として、前記第１の端子の電圧を出力電流（＝ポンプ電流）の値にかかわらずほぼ一定にするように、該第１の端子の電圧を反転入力とし基準電圧を非反転入力とし、かつ出力を前記第２の端子の電圧として出力する演算増幅回路をさらに具備する態様を挙げることができる。これは、第１の端子の電圧を出力電流（＝ポンプ電流）の値にかかわらずほぼ一定にするための構成である。このようなほぼ一定値に保持された電圧は、仮想的なグラウンドとして扱うことができる。

ここで、前記演算増幅回路が、電源電圧供給端子から供給される電圧でそれぞれ動作する入力段回路と出力段回路とを有し、該入力段回路の電源電圧供給端子が該出力段回路の電源電圧供給端子と別個にされている、とすることができる。出力段回路の電源電圧供給端子が入力段回路のそれと別にされていることで、セル（ポンプセル）の他端電極の電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能が容易に実現できる。

また、ここで、前記演算増幅回路が、入力段回路と出力段回路とを有し、該出力段回路が、該演算増幅回路の出力を前記ある制限値以下の電圧に保つようにリミット回路部を有する、とすることもできる。出力段回路がリミット回路部を有することで、セル（ポンプセル）の他端電極の電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能が容易に実現できる。

以上を踏まえ、以下では本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ制御装置を、ポンプ電流式酸素センサとともに示す構成図である。ポンプ電流式酸素センサ１にセンサ制御装置４が接続されセンサユニットが構成される。

ポンプ電流式酸素センサ１は、後述するポンプセルおよび起電力セルを含むものであり、このポンプ電流式酸素センサ１には、これを活性状態に加熱するため、ヒータ電源３により駆動されるヒータ２が近傍に設けられる。センサ制御装置４は、ポンプ電流式酸素センサ１を制御する回路および処理系であり、通常、図示以外の構成も有するがここでは、説明に必要な範囲で図示している。ポンプ電流式酸素センサ１は、センサ制御装置４を伴うことで、２つのセルが活性状態になったときに排気ガス中の酸素濃度を広域にわたって検出できる（後述する）。

ポンプ電流式酸素センサ１は、遮蔽板１０、酸素基準室１４、第１の固体電解質体１５、第１の一対の多孔質電極１６、１７、第２の固体電解質体１１、第２の一対の多孔質電極１２、１３、ガス拡散律速層１８、ガス検出室１９を有する。

遮蔽板１０はセラミックスからなり、その一方の面側に酸素基準室１４が位置し、酸素基準室１４を挟んでその反対側に固体電解質体１１が位置する。そして固体電解質体１１を挟んでその反対側に多孔質のガス拡散律速層１８および中空のガス検出室１９が位置し、さらに、ガス拡散律速層１８およびガス検出室１９を挟んでその反対側に固体電解質体１５が位置している。固体電解質体１１の両面には、Ｐｔを主体とする一対の多孔質電極１２、１３が設けられ、固体電解質体１５の両面には、Ｐｔを主体とする一対の多孔質電極１６、１７が設けられている。

固体電解質体１１、１５は、例えばジルコニア（ＺｒＯ_２）からなり、ヒータにより加熱され活性状態になると内部インピーダンスが小さくなりかつ酸素イオンが移動可能になるという所期の性質に至る。

ここで、固体電解質体１１とその両面の多孔質電極１２、１３とにより起電力セルが構成され、多孔質電極１２から多孔質電極１３の方向に微弱な一定電流（例えば１７μＡ）が、センサ制御装置４に設けられた起電力セル電流供給電流源４０により流される。これにより、外部に対して閉塞された酸素基準室１４に固体電解質体１１を介してガス検出室１９から酸素が移動し、酸素基準室１４が基準の酸素溜まりとなる。このようにして固体電解質体１１の両面の酸素濃度が異なると、多孔質電極１２、１３間には起電力が発生する。

この起電力は、固体電解質体１１の性質から、ガス検出室１９の酸素濃度が理論空燃比に対応したものである場合に約４５０ｍＶとなり、濃度がそれから外れると上下電圧で飽和する特性（λ特性）を呈する。

ガス検出室１９は、ガス拡散律速層１８を介して排気ガス（被測定ガス）の供給空間と隔てられているが、排気ガスが拡散することによりガス検出室１９内に導入される。

また、固体電解質体１５とその両面の多孔質電極１６、１７とによりポンプセルが構成され、それらの電極１６、１７間には、ポンプ電流（Ｉｐ）が、ＰＩＤ制御回路４４、演算増幅回路４６により流される。具体的には、起電力セルの出力電圧が、演算増幅回路４３によるバッファ、抵抗４７を介してＰＩＤ制御回路４４に入力されると、ＰＩＤ制御回路４４にて制御目標電圧４５０ｍＶ（＝制御目標電圧源４２の電圧。この電圧は演算増幅回路４８によるバッファ、抵抗４９を介してＰＩＤ制御回路４４に導かれている。）と起電力セルの出力電圧との偏差量ΔＶｓがＰＩＤ演算で求められる。

そして、ＰＩＤ制御回路４４は、この偏差量ΔＶｓに応じてポンプセルの一端電極（多孔質電極１７）をポンプ電流検出抵抗４５および端子４ｂを介して電流駆動する。この駆動による出力電流は、その正負により、ポンプセルを介して演算増幅回路４６の出力に流れ込むか、または演算増幅回路４６の出力から供給される。演算増幅回路４６は、端子４ｂの電圧を基準電圧（仮想的なグラウンド電圧、ここでは３．６Ｖ）に保つための回路である。以上のようにしてポンプセルにポンプ電流（Ｉｐ）が流れると、その電流の流れる向きにより、排気ガスの供給空間とガス検出室１９との間に酸素の移動が固体電解質体１５を介して生じる。

この酸素の移動は、ガス検出室１９の酸素濃度が理論空燃比に対応したものになるようにいずれかの方向になされる。このことから、排気ガスの供給空間の酸素濃度が理論空燃比に対応したものであれば、固体電解質体１５での酸素移動は必要なく、ポンプ電流はゼロになる。排気ガスの供給空間の酸素濃度が理論空燃比から外れるとそれに応じてポンプ電流がいずれかの方向に流れる。よって、このポンプ電流は、排気ガスの供給空間の酸素濃度に応じたものになっている。したがって、この電流の大きさを検出することにより、排気ガスの酸素濃度をその広い範囲に渡って測定することができる。

センサ制御装置４は、端子４ａ（起電力セル端子）、端子４ｂ（共通端子（第１の端子））、端子４ｃ（ポンプセル端子（第２の端子））を有してポンプ電流式酸素センサ１と電気的に接続されている。なお、端子４ｂは、起電力セルのうちでガス検出室１９に面する多孔質電極１３と、ポンプセルのうちでガス検出室１９に面する多孔質電極１７とを同電位に接続する共通端子である。起電力セル電流供給電流源４０、制御目標電圧源４２、演算増幅回路４３、４８、ＰＩＤ制御回路４４、ポンプ電流検出抵抗４５、演算増幅回路４６、抵抗４７、４９の各機能については、上記と重複するので説明省略するが、これらは上記のようにポンプ電流式酸素センサ１を制御するセンサ制御装置４の一部として機能している。

ポンプ電流検出抵抗４５を流れるポンプ電流（Ｉｐ）は、ポンプ電流検出回路５０により検出され、検出された電流値は酸素濃度測定結果として例えば空燃比制御のため不図示のＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）の中央演算回路（ＣＰＵ）に出力される。ポンプ電流検出回路５０は、例えば、ポンプ電流検出抵抗４５の両端電圧を、所定の電圧を基準に所定の利得で増幅する回路である。

図１に示す構成の接続関係をおさらいすると、演算増幅回路４６は、反転入力端子にＰＩＤ制御回路４４の出力側がポンプ電流検出抵抗４５を介して接続され、非反転入力端子に基準電圧（３．６Ｖ）が印加され、また出力端子は端子４ｃに接続される。また、ＰＩＤ制御回路４４の入力側は、抵抗４７、演算増幅回路４３を介して端子４ａに接続され、出力側は、ポンプ電流検出抵抗４５を介して演算増幅回路４６の反転入力端子に接続される。さらに、制御目標電圧源４２は、起電力セルに生じる電圧の制御目標となる電圧（４５０ｍＶ）を、演算増幅回路４８、抵抗４９を介してＰＩＤ制御回路４４に供給する。ポンプ電流（Ｉｐ）の検出は、ＰＩＤ制御回路４４の出力側に直列に挿入され、一端が端子４ｂに接続されたポンプ電流検出抵抗４５を流れる電流の検出による。

以上説明のセンサユニットにおいて、ポンプセルの固体電解質体１５に急激な冷却が起こった場合やその活性化直後の場合は、ポンプセルの内部抵抗は比較的高めの値となる。このような場合であっても、ＰＩＤ制御回路４４は、ポンプセルが活性状態にあれば多孔質電極１７に対して電流出力を行うが、そのときポンプセルに過電圧（本実施形態では、ポンプセルの電極間電圧が２．３Ｖを上回る電圧）が印加されないように、この実施形態の演算増幅回路４６は、その出力側の電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する。これを以下説明する。

図２は、図１中に示した演算増幅回路４６の具体的な一例を示す回路図である。図２中の＋入力、−入力、出力は、それぞれ、非反転入力端子、反転入力端子、出力端子である。この回路では、出力段回路の電源電圧供給端子（Ｖｃｃ２）が入力段回路のそれ（Ｖｃｃ１）と別にされており、これにより、演算増幅回路４６の出力が端子４ｃを介して接続されるポンプセルの多孔質電極１６の電圧をある制限値以下の電圧に保つようになっている。

図２に示す演算増幅回路４６は、構成素子として、電流源Ｉ１、トランジスタＱ１〜１７、抵抗Ｒ１、容量Ｃ１を有する。電流源Ｉ１、トランジスタＱ１、Ｑ２、Ｑ５、Ｑ１０、Ｑ１１はカレントミラー回路になっており、これによりトランジスタＱ２、Ｑ５、Ｑ１０、Ｑ１１の各コレクタから各素子を介してグラウンドに向かって電流が出力される。このうちトランジスタＱ１１からの電流は、トランジスタＱ１２、Ｑ１３によるカレントミラー回路、さらにトランジスタＱ１４、Ｑ１６によるカレントミラー回路を駆動する。これにより、Ｑ１６はＱ１７からみて負荷となる。

トランジスタＱ３、Ｑ４は、それぞれエミッタフォロアによる−入力と＋入力のバッファ回路である。バッファされた両入力はトランジスタＱ６、Ｑ７からなる差動対に入力される。トランジスタＱ６、Ｑ７からなる差動対の両コレクタ出力は、トランジスタＱ８、Ｑ９からなるカレントミラー回路に導かれ、これによりＱ７、Ｑ９の両コレクタの接続ノードがトランジスタＱ６、Ｑ７からなる差動対の電流出力ノードとなる。この出力電流は、Ｑ１５のベース電流を増減させる。

この出力電流によりＱ１５のベース電流が流れる場合は、そのｈＦＥ倍の電流がそのエミッタに流れ、このエミッタ電流は、抵抗Ｒ１に流れる電流がＱ１７のオン状態においてほぼ一定であることから、Ｑ１７のベース電流を増加させる。これにより、Ｑ１７のコレクタ電圧（＝出力）は、Ｑ１６を負荷として大きく下がろうとする。これが、＋入力＜−入力の場合の動作である。

また、Ｑ７、Ｑ９の両コレクタの接続ノードが電流をプラス方向に出力しない場合は、Ｑ１５にベース電流が供給されずカットオフし、よってＱ１７もカットオフする。これにより、Ｑ１６のコレクタ電圧（＝出力）は、Ｑ１７を負荷として大きく上がろうとする。これが、＋入力＞−入力の場合の動作である。

以上により、出力（トランジスタＱ１６、Ｑ１７の両コレクタの接続ノード）には、−入力と＋入力との差電圧に応じて大きな利得で電圧が発生する。なお、Ｑ１６、Ｑ１７の両コレクタの接続ノードとＱ１５のベースとの間に接続された容量Ｃ１は、位相補償用の容量である。

以上の動作によりこの回路は演算増幅回路として動作し、出力と−入力とが何らかのフィードバック接続を有することで−入力と＋入力とはいわゆるイマジナリショートとなり同電位となる。Ｖｃｃ２は、Ｖｃｃ１より低い値、ここでは具体的に５．９Ｖに設定している。これによれば、ポンプ電流式酸素センサ１のポンプセルに印加される電圧は最大で２．３Ｖ（＝５．９Ｖ−３．６Ｖ）となるので効果的にブラックニングなどのダメージ発生を防止できる。この例では「ある制限値」はＶｃｃ２に対応する。Ｖｃｃ２の値は、センサ制御装置として回路設計するときにあらかじめ設定（想定）しておくことができるが、回路設計後にＶｃｃ２の値を決めてこれを適用することで適宜増減することもできる。

図３は、図１中に示した演算増幅回路４６の別の具体的な例を示す回路図である。図３中の＋入力、−入力、出力は、それぞれ、非反転入力端子、反転入力端子、出力端子である。この回路では、出力段回路にリミット回路部が設けられ、これにより、演算増幅回路４６Ａの出力が端子４ｃを介して接続されるポンプセルの多孔質電極１６の電圧をある制限値以下の電圧に保つようになっている。

この演算増幅回路４６Ａは、構成素子として、電流源Ｉ１、トランジスタＱ１〜Ｑ１０、Ｑ２１〜Ｑ２７、容量Ｃ１を有する。このうち図２に示した構成要素と同一符号を付したものは同一機能を有する。トランジスタＱ２１は、電流源Ｉ１とトランジスタＱ１とを有するカレントミラー回路の一部である。これにより、Ｑ２１のコレクタからＱ２２、Ｑ２３、Ｑ２４を介してグラウンドに向かって電流が出力される。この構成で、Ｑ２１はＱ２４からみて負荷となる。トランジスタＱ２５、Ｑ２６は出力バッファ回路を兼ねた回路部である。

トランジスタＱ７、Ｑ９の両コレクタ接続ノードの出力電流は、Ｑ２４のベース電流を増減させる。この出力電流が供給されてＱ２４にベース電流が流れる場合は、そのｈＦＥ倍の電流がそのエミッタに流れ、これにより、Ｑ２４のコレクタ電圧は、Ｑ２１を負荷として大きく下がろうとする。これが、＋入力＜−入力の場合の動作である。また、Ｑ７、Ｑ９の両コレクタの接続ノードが電流をプラス方向に出力しない場合は、Ｑ２４にベース電流が供給されずカットオフする。これにより、Ｑ２１のコレクタ電圧は、Ｑ２４を負荷として大きく上がろうとする。これが、＋入力＞−入力の場合の動作である。

以上により、出力（トランジスタＱ２５、Ｑ２６の両エミッタの接続ノード）には、−入力と＋入力との差電圧に応じて大きな利得で電圧が発生する。なお、Ｑ２５、Ｑ２６の両エミッタの接続ノードとＱ２４のベースとの間に接続された容量Ｃ１は、位相補償用の容量である。

ここで、Ｑ２５、Ｑ２６の両エミッタの接続ノードがトランジスタＱ２７のベース電圧（Ｖｌ＝リミット電圧）より大きくなろうとすると、Ｑ２５のベース電位がＶｌ＋Ｖｂｅより大きくなることができない（∵Ｑ２７がオンする）ため、Ｑ２５はオフしてしまう。したがって、Ｑ２５、Ｑ２６の両エミッタの接続ノードはほぼＶｌが上限電圧となる。すなわち、ここでＱ２７はリミット回路部として動作している。

以上のような演算増幅回路４６Ａの動作により、演算増幅回路４６Ａの出力が端子４ｃを介して接続されるポンプセルの多孔質電極１６の電圧を制限値（Ｖｌ）以下の電圧に保つことができる。なお、リミット電圧Ｖｌは具体的には例えば５．９Ｖとすることができる。これによれば、ポンプ電流式酸素センサ１のポンプセルに印加される電圧は最大で２．３Ｖ（＝５．９Ｖ−３．６Ｖ）となるので効果的にブラックニングなどのダメージ発生を防止できる。

図４は、図１中に示した演算増幅回路４６のさらに別の具体的な例を示す回路図である。図４中の＋入力、−入力、出力は、それぞれ、非反転入力端子、反転入力端子、出力端子である。この回路も、出力段回路にリミット回路部が設けられ、これにより、演算増幅回路４６Ｂの出力が端子４ｃを介して接続されるポンプセルの多孔質電極１６の電圧をある制限値以下の電圧に保つようになっている。

この演算増幅回路４６Ｂは、構成素子として、電流源Ｉ１、トランジスタＱ１〜Ｑ１３、Ｑ３１〜Ｑ３５、容量Ｃ１、抵抗Ｒ２を有する。このうち図２に示した構成要素と同一符号を付したものは同一機能を有する。Ｑ１３のコレクタにはＱ３２とＱ３３とからなるカレントミラー回路が接続されている。ここでＱ３２、Ｑ３３の両エミッタはトランジスタＱ３１のエミッタに接続されており、その電圧はＶｃｃ１からリミット電圧Ｖｌに降圧された電圧である。すなわち、トランジスタＱ３５のベースに印加されたリミット電圧Ｖｌにより、そのエミッタ電圧はＶｌ＋Ｖｂｅとなり、さらにＱ３１のエミッタ電圧はＶｌとなる。

Ｑ７、Ｑ９の両コレクタ接続ノードの出力電流は、Ｑ３４のベース電流を増減させる。この出力電流が供給されてＱ３４にベース電流が流れる場合は、そのｈＦＥ倍の電流がそのエミッタに流れ、これにより、Ｑ３４のコレクタ電圧（＝出力）は、Ｑ３３を負荷として大きく下がろうとする。これが、＋入力＜−入力の場合の動作である。また、Ｑ７、Ｑ９の両コレクタの接続ノードが電流をプラス方向に出力しない場合は、Ｑ３４にベース電流が供給されずカットオフする。これにより、Ｑ３３のコレクタ電圧（＝出力）は、Ｑ３４を負荷として大きく上がろうとする。これが、＋入力＞−入力の場合の動作である。

以上により、トランジスタＱ３３、Ｑ３４の両エミッタの接続ノードには−入力と＋入力との差電圧に応じて大きな利得で電圧が発生する。なお、Ｑ３３、Ｑ３４の両エミッタの接続ノードとＱ３４のベースとの間に接続された容量Ｃ１は、位相補償用の容量である。

以上の動作によりこの回路は演算増幅回路として動作すると同時に、出力にはリミット電圧Ｖｌの制限が課されている。すなわち、トランジスタＱ３５、Ｑ３１、Ｒ２がリミット回路部として動作している。これにより、演算増幅回路４６Ｂの出力が端子４ｃを介して接続されるポンプセルの多孔質電極１６の電圧をリミット電圧Ｖｌ以下の電圧に保つことができる。なお、リミット電圧Ｖｌは具体的には例えば５．９Ｖとすることができる。これによれば、ポンプ電流式酸素センサ１のポンプセルに印加される電圧は最大で２．３Ｖ（＝５．９Ｖ−３．６Ｖ）となるので効果的にブラックニングなどのダメージ発生を防止できる。

図３、図４に示したような電源を２つに分けない回路によれば、出力段回路用のＶｃｃ２を必要としないのでその電流出力能力などに影響されない回路構成とすることができる。Ｖｃｃ２として必要な低電圧は、通常、バッテリー電圧を降圧して発生させるが、現実のアプリケーションではあまり電流容量がない場合も多い。また、これらの例で「ある制限値」はＶｌに対応する。Ｖｌの値は、センサ制御装置として回路設計するときにあらかじめ設定（想定）しておくことができるが、回路設計後にＶｌの値を決めて適用することで適宜増減することもできる。

以上、本発明を実施形態に即して説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更して適用できることはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、ポンプセルと起電力セルを有する２セルタイプのセンサを用いたセンサユニットを例示した。しかし、本発明を、他の形態（例えばポンプセルを含む３セル以上）のセンサを用いたセンサユニットに適用することもできる。

本発明の一実施形態に係るセンサ制御装置を、ポンプ電流式酸素センサとともに示す構成図。 図１中に示した演算増幅回路４６の具体的な一例を示す回路図。 図１中に示した演算増幅回路４６の別の具体的な例を示す回路図。 図１中に示した演算増幅回路４６のさらに別の具体的な例を示す回路図。

符号の説明

１…ポンプ電流式酸素センサ、２…ヒータ、３…ヒータ電源、４…センサ制御装置、４ａ…起電力セル端子、４ｂ…共通端子（第１の端子）、４ｃ…ポンプセル端子（第２の端子）、１０…遮蔽板、１１…固体電解質体（第２の固体電解質体）、１２…多孔質電極（＋）、１３…多孔質電極（−）、１４…酸素基準室、１５…固体電解質体（第１の固体電解質体）、１６…多孔質電極（＋）、１７…多孔質電極（−）、１８…ガス拡散律速層、１９…ガス検出室、４０…起電力セル電流供給電流源、４２…制御目標電圧源、４３，４８…演算増幅回路、４４…ＰＩＤ制御回路、４５…ポンプ電流検出抵抗、４６…演算増幅回路、４７，４９…抵抗、５０…ポンプ電流検出回路。

Claims (8)

1. 固体電解質体、一端電極、他端電極を含むセルであって被測定ガス中の特定成分の濃度を検出可能な前記セルの前記一端電極に接続され得、該接続された状態で前記セルの前記一端電極に対して正負にわたる電流を出力可能な第１の端子と、
   前記セルの前記他端電極に接続され得、該接続された状態で、前記第１の端子の電流出力によって前記セルの前記他端電極に生じる電流のシンクまたはソースとして機能し、かつ該接続された状態で前記セルの前記他端電極に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する第２の端子と
   を具備することを特徴とするセンサ制御装置。
2. 前記第１の端子の電圧を出力電流の値にかかわらずほぼ一定にするように、該第１の端子の電圧を反転入力とし基準電圧を非反転入力とし、かつ出力を前記第２の端子の電圧として出力する演算増幅回路をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のセンサ制御装置。
3. 前記演算増幅回路が、電源電圧供給端子から供給される電圧でそれぞれ動作する入力段回路と出力段回路とを有し、該入力段回路の電源電圧供給端子が該出力段回路の電源電圧供給端子と別個にされていることを特徴とする請求項２記載のセンサ制御装置。
4. 前記演算増幅回路が、入力段回路と出力段回路とを有し、該出力段回路が、該演算増幅回路の出力を前記ある制限値以下の電圧に保つようにリミット回路部を有することを特徴とする請求項２記載のセンサ制御装置。
5. 第１の固体電解質体、第１の一対の電極を含むポンプセルと、第２の固体電解質体、第２の一対の電極を含む起電力セルとを備え、前記ポンプセルに流れるポンプ電流の値に基づいて被測定ガス中の特定成分の濃度を広域に検出可能なセンサと、
   前記センサの前記ポンプセルの前記第１の一対の電極の一方に接続され、該接続された状態で該電極の一方に対して正負にわたる電流を出力可能な第１の端子と、前記センサの前記ポンプセルの前記第１の一対の電極の他方に接続され、該接続された状態で、前記第１の端子の電流出力によって該電極の他方に生じる電流のシンクまたはソースとして機能し、かつ該接続された状態で該電極の他方に生じる電圧をある制限値以下の電圧に保つ機能を有する第２の端子とを備えたセンサ制御装置と
   を具備することを特徴とするセンサユニット。
6. 前記センサ制御装置が、前記第１の端子の電圧を出力電流の値にかかわらずほぼ一定にするように、該第１の端子の電圧を反転入力とし基準電圧を非反転入力とし、かつ出力を前記第２の端子の電圧として出力する演算増幅回路をさらに備えたことを特徴とする請求項５記載のセンサユニット。
7. 前記演算増幅回路が、電源電圧供給端子から供給される電圧でそれぞれ動作する入力段回路と出力段回路とを有し、該入力段回路の電源電圧供給端子が該出力段回路の電源電圧供給端子と別個にされていることを特徴とする請求項６記載のセンサユニット。
8. 前記演算増幅回路が、入力段回路と出力段回路とを有し、該出力段回路が、該演算増幅回路の出力を前記ある制限値以下の電圧に保つようにリミット回路部を有することを特徴とする請求項６記載のセンサユニット。

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