JPH10260158A - 排気ガス中の被検出成分濃度の測定方法及び装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 排気ガス中の酸素濃度が変化しても、ガス中
の被検出成分の濃度を高精度で検出できる排気ガス中の
被検出成分濃度の測定装置を提供する。 【解決手段】 測定装置に使用される排気ガスセンサ１
は、酸素濃淡電池素子４の両側の隙間１５，１６に排気
ガスが導入され、第一〜第三電極１１〜１３の酸化触媒
としての活性が、隙間１５側と隙間１６側とで被検出成
分の酸化による消費量に差が生ずるように調整される。
これにより、酸素濃淡電池素子４には濃淡電池起電力が
発生し、酸素ポンプ素子３は、該起電力が１０ｍＶ以下
の目標値ＥCに維持されるように、隙間１５に対する酸
素の汲み込みないし汲み出しを行う。このときのポンプ
電流が、被検出成分に対する検出出力として取り出され
る。そして、濃淡電池素子４の温度制御を行い、またポ
ンプ電流に対する温度補償を行うことにより被検出成分
の検出精度が向上する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、排気ガス中の被検
出成分濃度の測定方法及び装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】自動車等の排気ガスに含有される炭化水
素（以下、ＨＣという）やＣＯ、あるいは窒素酸化物
（以下、ＮＯ_Xという）等の被検出成分を検出するため
のセンサとして、例えば抵抗型センサが知られている。
これは、検出素子としてＳｎＯ₂等の酸化物半導体が使
用され、被検出成分の吸着に伴う酸化物半導体の抵抗変
化に基づき、該被検出成分の排気ガス中の含有量を検出
するものである。また、これとは別に、ジルコニア素子
の両面にＰｔ多孔質電極を形成するとともに一方の多孔
質電極を酸化触媒で覆った構造のＣＯセンサも提案され
ている。該センサにＣＯと酸素とを含有するガスを接触
させると、酸化触媒で覆わない側の電極ではＣＯの酸化
反応が起こり、電極電位はＣＯ濃度の影響を受けた混成
電位となるのに対し、酸化触媒で覆った電極側ではＣＯ
が完全に酸化されて、ガス中の酸素濃度に依存した電位
となる。そして、両電極間の電位差を出力として取り出
せば、これに基づいてガス中のＣＯ濃度を知ることがで
きる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】まず、前者の抵抗型セ
ンサにおいては、酸化物半導体による検出素子の出力
が、排気ガス中に含有される酸素濃度により変化する特
性を有している。そのため、同じ汚染物質濃度に対して
も、排気ガス中の酸素濃度により検出出力値が変動して
しまう問題がある。そこで、例えば特開平５−１８０７
９４等に開示されているように、固体電解質を用いたポ
ンプ素子により排気ガス中に酸素を送り込んでその濃度
を高め、ガス中の酸素濃度の相対的な変動を小さくする
ことにより検出精度を高める提案がなされている。しか
しながら、排気ガス中の酸素の濃度が大きく変化した場
合には、ポンプ素子からの酸素導入による相対濃度変動
の抑制効果が不十分となり、満足な検出精度が得られな
い欠点がある。一方、後者の混成電位を用いるタイプの
センサも、酸化触媒で覆った電極の電位がガス中の酸素
濃度に応じて変化するため、同様の問題が生ずる。

【０００４】本発明の課題は、排気ガス中の酸素濃度が
変化しても、その被検出成分の濃度を高精度で検出でき
る排気ガス中の被検出成分濃度の検出方法及び装置を提
供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段及び作用・効果】上述の課
題を解決するために、本発明の排気ガス中の被検出成分
濃度の測定方法は下記の特徴を有する。まず、排気ガス
センサとして次のようなものを使用する。すなわち、該
排気ガスセンサは、酸素イオン伝導性固体電解質により
構成され、その両面に酸素透過性を有する電極が形成さ
れた酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質
により構成されて両面に酸素透過性を有する電極が形成
され、かつ酸素濃淡電池素子との間に排気ガスの流通が
許容された所定量の隙間が形成されるように、該酸素濃
淡電池素子に対向配置された酸素ポンプ素子と、酸素ポ
ンプ素子と酸素濃淡電池素子との少なくとも一方を、予
め定められたセンサ作動温度に加熱する加熱素子とを備
える。酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池素子に生ずる濃
淡電池起電力の絶対値が減少する方向に、上記隙間に酸
素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲み出す働きをな
す。一方、上記隙間と、酸素濃淡電池素子を挟んでこれ
と反対側の空間（反対空間）とには、それぞれ被検出成
分と酸素とを含有する排気ガスが導入される。

【０００６】また、酸素ポンプ素子の隙間側の電極を第
一電極、酸素濃淡電池素子の隙間側の電極を第二電極、
酸素濃淡電池の反対空間側の電極を第三電極として、隙
間と反対空間とに導入された排気ガス中の被検出成分
は、少なくともそれら隙間と反対空間との一方におい
て、第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触媒と
して排気ガス中の酸素と反応することにより消費される
とともに、隙間と反対空間との間で酸素との反応による
被検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一〜
第三電極の酸化触媒活性が調整される。

【０００７】そして、少なくとも酸素濃淡電池素子の温
度が予め定められた温度目標値に近づくように、加熱素
子の発熱を制御するとともに、酸素濃淡電池素子の濃淡
電池起電力の絶対値が１０ｍＶ以下に設定された起電力
目標値ＥCに到達したときの、酸素ポンプ素子に流れる
ポンプ電流値の情報又は該ポンプ電流値を反映した情報
（これらを総称してポンプ電流情報という）に基づい
て、排気ガス中の被検出成分の濃度を測定する。

【０００８】次に、本発明の排気ガス中の被検出成分濃
度の測定装置の第一の構成は、上記排気ガスセンサと、
濃淡電池素子に発生する濃淡電池起電力を検出する起電
力検出手段と、その検出された濃淡電池起電力の絶対値
が減少する方向において、該酸素ポンプ素子と濃淡電池
素子との間の隙間に酸素を汲み込み、又は該隙間から酸
素が汲み出されるように、酸素ポンプ素子に印加される
電圧を調整するポンプ素子電圧調整手段と、酸素濃淡電
池素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくよう
に、加熱素子の発熱を制御する発熱制御手段とを備え、
酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力の絶対値が、１０ｍ
Ｖ以下に設定された起電力目標値ＥCに到達したとき
の、酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値の情報又は該
ポンプ電流値を反映した情報（ポンプ電流情報）に基づ
いて、排気ガス中の被検出成分の濃度を測定することを
特徴とする。

【０００９】上述の方法及び装置によれば、その排気ガ
スセンサにおいて、酸素濃淡電池素子を挟んで上記隙間
と反対空間側とに被検出成分と酸素とを含有した排気ガ
スが導入され、隙間に面する側に配置された第一及び第
二電極と、反対空間側に配置された第三電極の酸化触媒
としての活性が、上記隙間側と反対空間側とで被検出成
分の酸化による消費量に差が生ずるように調整されてお
り、被検出成分が多く消費される側では酸素も多く消費
されることとなる。これにより、酸素濃淡電池素子の両
側には酸素濃度差が生じ、それに基づく濃淡電池起電力
が発生することとなる。酸素ポンプ素子は、例えば隙間
側が低酸素濃度側となる場合には該隙間に酸素を汲み込
み、逆に高酸素濃度側となる場合には該隙間から酸素を
汲み出して、上記濃淡電池起電力を起電力目標値ＥCに
なるように制御する。

【００１０】そして、濃淡電池起電力が起電力目標値Ｅ
Cに到達したときの酸素ポンプ素子に流れる電流（以
下、ポンプ電流という）は、排気ガス中の被検出成分の
濃度値をほぼ反映した値となることから、これに基づい
て上記被検出成分の濃度を検出することができる。ま
た、上記ポンプ電流の値は、排気ガス中の被検出成分の
濃度が変化しない限り、排気ガス中の酸素濃度の影響を
ほとんど受けず、また、被検出成分の濃度変化に対する
ポンプ電流の値の変化もほぼ直線的となる。これによ
り、酸素濃度が所定の範囲で変化しても、排気ガス中の
被検出成分の濃度を精度よく検出することができる。

【００１１】また、上記方法及び装置においては、酸素
濃淡電池素子に生ずる濃淡電池起電力を参照し酸素ポン
プ素子の作動が制御されるのであるが、上記濃淡電池起
電力は素子の温度によって変化するため、同一の被検出
成分の濃度が同一であっても酸素濃淡電池素子の温度が
変化すると、濃淡電池素子起電力、ひいては濃度検出情
報となるポンプ電流の値が変動して測定誤差の増加につ
ながる。しかしながら、本発明によれば、酸素濃淡電池
素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくように
加熱素子の発熱が制御されることから、上記素子の温度
変化に基づく被検出成分の測定誤差を小さくすることが
でき、測定精度を高めることができる。

【００１２】なお、酸素濃淡電池素子と酸素ポンプ素子
との間に形成される隙間の大きさは、例えば１mm以下に
設定するのがよい。隙間の大きさが１mmを超えると、隙
間による新たな排気ガスの流入規制効果が小さくなり、
センサの検出精度が低下する場合がある。また、第一電
極の面積Ｓpと第二電極の面積Ｓsとの比をＳp／Ｓsを１
以上とすれば、第二電極付近の酸素濃度を一定にするこ
とができ、ひいてはセンサ出力の精度及び安定性を向上
させることができる。

【００１３】ここで、酸素濃淡電池素子を挟んで隙間側
と反対空間側とで、酸素濃度が互いに等しくなるよう
に、酸素ポンプ素子による隙間への酸素の汲み込みない
しは汲み出しを行うようにすれば、それら両空間での被
検出成分の消費量の差に対し、ポンプ電流が直接的に対
応することになるから、被検出成分の濃度をさらに精度
よく検出することができ、また検出結果の解析も容易と
なる。この場合、酸素濃淡電池素子の両側の酸素濃度が
等しくなれば、濃淡電池起電力は理論上は０となるか
ら、酸素ポンプ素子は、該濃淡電池起電力が０となるよ
うに隙間に対する酸素の汲み込みないしは汲み出しを行
うこととなる。しかしながら、酸素濃淡電池素子の両側
の酸素濃度が等しくなっても、通常は、酸素濃淡電池素
子の起電力は０にはならず、一定のオフセット起電力が
残ることが多い。

【００１４】本発明者らは、一般に使用されているほと
んどの酸素イオン伝導性固体電解質について、該固体電
解質により酸素濃淡電池素子を構成した場合のオフセッ
ト起電力の絶対値が１０ｍＶ以下の範囲に収まっている
ことに着眼するとともに、本発明の第一の構成におい
て、起電力目標値ＥCを１０ｍＶ以下に設定し、濃淡電
池起電力の絶対値が該起電力目標値ＥCに到達したとき
の酸素ポンプ素子に流れる電流値を検出信号として採用
することで、排気ガス中の被検出成分の濃度を正確に検
出できることを見い出したのである。なお、測定雰囲気
の酸素濃度範囲が判っている場合は、その範囲の最大酸
素濃度におけるオフセット起電力を起電力目標値とする
のが望ましい。

【００１５】次に、本発明の方法として、上記したもの
とは別に、次のような方法も可能である。すなわち、上
記方法において使用されたものと同様の構成の排気ガス
センサを用い、少なくとも酸素濃淡電池素子の温度が予
め定められた温度目標値に近づくように、加熱素子の発
熱を制御するとともに、酸素を１体積％以上含有し、か
つセンサ作動温度において酸素と反応する成分を実質的
に含有しない試験ガスを隙間及び反対空間に導入したと
きの、酸素濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力の絶
対値をＥOS（単位：ｍＶ）とし、これに対応して起電力
目標値ＥCが（ＥOS−５．０）ｍＶ以上（ＥOS＋５．
０）ｍＶ以下の範囲内で設定する。そして、酸素濃淡電
池素子の濃淡電池起電力の絶対値が起電力目標値ＥCに
到達したときの、酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値
の情報又は該ポンプ電流値を反映した情報（ポンプ電流
情報）に基づいて、排気ガス中の被検出成分の濃度を測
定する。

【００１６】また、本発明の装置の第二の構成は、上記
第一の構成と同様の排気ガスセンサと、起電力検出手段
と、ポンプ素子電圧調整手段と、発熱制御手段とを備
え、酸素を１体積％以上含有し、かつセンサ作動温度に
おいて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガ
スを上記隙間及び反対空間に導入したときの、酸素濃淡
電池素子に生ずるオフセット起電力の絶対値をＥOS（単
位：ｍＶ）とし、これに対応して起電力目標値ＥCが
（ＥOS−５．０）ｍＶ以上（ＥOS＋５．０）ｍＶ以下の
範囲内で設定されるとともに、酸素濃淡電池素子の濃淡
電池起電力の絶対値が起電力目標値ＥCに到達したとき
のポンプ電流情報に基づいて、排気ガス中の被検出成分
の濃度を測定することを特徴とする。

【００１７】本発明者らは鋭意検討の結果、次のことを
見い出し、上記本発明の装置の第二の構成を完成するに
至ったのである。すなわち、酸素濃淡電池素子のオフセ
ット起電力が、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低く
なるほど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけ
るオフセット起電力を基準として起電力目標値ＥCを設
定すると、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を
受けやすくなる。そしてこれを解決するためには、酸素
を１体積％以上含有し、かつセンサ作動温度において酸
素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガスを隙間
及び反対空間に導入したときの、酸素濃淡電池素子に生
ずるオフセット起電力の絶対値をＥOS（単位：ｍＶ）と
し、これを基準として起電力目標値ＥCを（ＥOS−５）
ｍＶ以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲内で設定すること
が有効となる。そして、起電力目標値ＥCを上記範囲で
設定することで、排気ガス中の酸素濃度の影響を受けな
い、より安定した測定結果を得ることができる。この場
合、起電力目標値ＥCは、なるべくＥOSに近い値として
設定することが、排気ガスセンサの被検出成分に対する
検出精度を高める上で望ましい。なお、ＥOSを決定する
ための試験ガス中の酸素濃度は、望ましくは１０％以上
のものを使用するか、あるいは大気を使用するのがよ
い。また、起電力目標値ＥCを、第一の構成と同様に１
０ｍＶ以下に設定することにより、より安定で精度の高
い測定が可能となる。

【００１８】次に、本発明の方法においては、酸素濃淡
電池素子の温度を所定の検出手段により検出し、その検
出された温度の情報に基づいて、ポンプ電流情報を補正
することができる。また、これに対応する本発明の排気
ガス中の被検出成分の測定装置の構成において、発熱制
御手段は、酸素濃淡電池素子の温度を検出する温度検出
手段と、該温度検出手段の温度検出結果に基づいて、酸
素濃淡電池素子の温度が温度目標値に近づくように、発
熱素子の通電を制御する通電制御手段とを備えたものと
して構成できる。これにより、仮に酸素濃淡電池素子の
温度が、排気ガス温度の急変等により一時的に変化する
ことがあっても、検出された温度の情報に基づいてポン
プ電流情報が補正されるので、被検出成分の検出精度を
良好に維持することができる。この場合、酸素濃淡電池
素子の温度は、サーミスタや熱電対など、別途設けられ
た温度センサを用いて測定してもよいが、該濃淡電池素
子の内部抵抗の値が温度によって変化するので、これを
利用して温度を測定するようにすれば温度センサを設け
る必要がなくなり、ひいては測定系の構成を単純化でき
る利点がある。

【００１９】この場合、本発明の装置には、温度検出手
段が検出する温度の情報とポンプ電流情報とに基づい
て、温度補償された被検出成分濃度情報を生成する被検
出成分濃度情報補正手段と、その生成された被検出成分
濃度情報を補正測定結果として出力する補正測定結果出
力手段とを設けることができる。

【００２０】具体的には、被検出成分濃度情報補正手段
は、温度目標値からの温度偏差と、ポンプ電流情報に対
する補正量（ポンプ電流補正量）との関係を与える温度
偏差−ポンプ電流補正量関係情報を補正参照情報として
記憶する補正参照情報記憶手段と、温度検出手段が検出
する温度と温度目標値との差に対応するポンプ電流補正
量を、補正参照情報を参照して決定するポンプ電流補正
量決定手段と、その決定されたポンプ電流補正量に基づ
いて、測定されたポンプ電流情報を補正する演算を行う
補正演算手段とを備えるものとして構成できる。これに
よれば、目標温度からの温度偏差をポンプ電流補正量に
換算する形で上記ポンプ電流情報を補正できるから、補
正処理のアルゴリズムを簡略化でき、ひいては被検出成
分濃度測定結果の補正出力の応答性を高めることができ
る。

【００２１】この場合、被検出成分濃度情報補正手段に
は、上記ポンプ電流情報を被検出成分濃度情報へ変換す
るポンプ電流情報−被検出成分濃度情報変換手段を設け
ることができ、補正測定結果出力手段はその変換された
被検出成分濃度情報を、温度補償された被検出成分濃度
情報として出力するものとすることができる。また、ポ
ンプ電流情報−被検出成分濃度情報変換手段は、具体的
にはポンプ電流値と被検出成分濃度との関係を示すポン
プ電流値−被検出成分濃度関係情報を記憶する記憶手段
と、その記憶されたポンプ電流値−被検出成分濃度関係
情報を参照して、補正後のポンプ電流情報が示す被検出
成分濃度を算出する被検出成分濃度算出手段とを含むも
のとして構成することができ、補正測定結果出力手段は
その算出結果を出力するものとして構成することができ
る。一方、その補正されたポンプ電流情報をそのまま外
部に出力するようにしてもよい。

【００２２】一方、被検出成分濃度情報補正手段は、ポ
ンプ電流値と被検出成分濃度値との関係を、各種温度毎
に示すポンプ電流情報−被検出成分濃度関係情報を補正
参照情報として記憶する補正参照情報記憶手段と、温度
検出手段が検出する温度の情報と測定されたポンプ電流
情報とに基づいて、上記補正参照情報を参照することに
より、当該温度とポンプ電流値に対応する被検出成分濃
度値を、温度補償された被検出成分濃度情報として生成
する補正濃度情報生成手段とを備えたものとして構成す
ることもできる。この構成によれば、各温度毎のポンプ
電流情報−被検出成分濃度関係情報を用意する必要はあ
るが、検出温度からポンプ電流補正量を算出することな
く、測定された温度とポンプ電流とに対応する被検出成
分濃度を直接的に決定することができ、被検出成分濃度
出力における応答性をさらに高めることができる。

【００２３】次に、温度検出手段は、酸素濃淡電池素子
の内部抵抗を測定する内部抵抗測定手段と、その測定さ
れた内部抵抗値に基づいて酸素濃淡電池素子の温度の情
報を生成する温度情報生成手段と、その生成された温度
の情報を出力する温度情報出力手段とを備えるものとし
て構成できる。前述の通り、該構成によれば温度センサ
等を別途設ける必要がなくなり、装置構成を単純化でき
る利点がある。

【００２４】内部抵抗測定手段は、具体的には、酸素濃
淡電池素子に対し一定の内部抵抗検出電流を通電する内
部抵抗検出電流通電手段と、該内部抵抗検出電流を通電
したときに酸素濃淡電池素子に印加される電圧を反映し
た情報（電圧情報）を検出する電圧情報検出手段とを備
え、その検出された電圧情報に基づいて酸素濃淡電池素
子の内部抵抗値を測定するものとすることができる。こ
れによれば、定電流通電時の印加電圧から酸素濃淡電池
素子の内部抵抗を簡単に測定することができる。

【００２５】ここで、酸素濃淡電池素子の両側において
酸素濃度に差が生じている場合は、酸素濃淡電池素子に
は濃淡電池起電力が生じ、検出された電圧情報にその濃
淡電池起電力の情報が含まれないし重畳されて誤差の原
因となる場合がある。この場合、酸素濃淡電池素子の内
部抵抗の測定に当たっては、内部抵抗検出電流を一定以
上に大きく設定することで酸素濃淡電池素子に印加され
る電圧を高め、濃淡電池起電力の影響を相対的に小さく
することが内部抵抗測定の精度を高める上で有効であ
る。一方、重畳されるか、ないしは含まれる濃淡電池起
電力の影響を除去ないし低減するためには、次のような
方式も有効である。すなわち、内部抵抗測定手段に、酸
素濃淡電池素子に内部抵抗検出電流を通じない状態で、
該酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力を測定する濃淡電
池起電力測定手段と、該測定された濃淡電池起電力の情
報に基づいて、検出された電圧情報の内容を補正する電
圧情報補正手段とを設ける。具体的には、濃淡電池起電
力測定手段による濃淡電池起電力の測定結果を、電圧情
報の検出結果から減ずることにより、濃淡電池起電力成
分の影響を効果的に除去することができる。

【００２６】次に、酸素濃淡電池素子に内部抵抗測定用
電流を通電すると、酸素濃淡電池素子内においてその通
電と逆方向に酸素が輸送され（すなわち、酸素ポンプと
なる）、酸素濃淡電池素子両側の酸素濃度に変化を生ず
る。その結果、排気ガスセンサによる被検出成分濃度の
測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分
濃度の測定精度に対する誤差の要因ともなりうる。ま
た、酸素濃淡電池素子の内部抵抗値が高い場合には、酸
素濃淡電池素子内の酸素イオンが移動しにくくなって、
電流通電に伴い分極を生ずることもある。そこで、修正
電流通電手段により、酸素濃淡電池素子に対し内部抵抗
検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素
濃淡電池素子に対し、内部抵抗検出電流と逆方向に修正
電流を通電するようにすれば、その通電により上記とは
逆向きに酸素が輸送されるので、変化した酸素濃度が内
部抵抗測定前の状態に近づいて、復帰後の被検出成分濃
度の測定精度が高められるとともに、酸素濃淡電池素子
の分極状態も解消することができる。この場合、修正電
流の大きさ及び通電時間は、内部抵抗検出電流通電時に
輸送されると考えられる酸素量とほぼ同量の酸素が、該
修正電流の通電により逆輸送されるように設定するのが
よく、例えば内部抵抗検出電流とほぼ大きさが同じ電流
を、該内部抵抗検出電流とほぼ同時間通電するのがよ
い。

【００２７】次に、酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力
を所定の制御基準値と比較し、該濃淡電池起電力と起電
力目標値ＥCとの差に応じたポンプ電流を酸素ポンプ素
子に向けて出力するポンプ電流制御手段を設けることが
できる。これにより、濃淡電池起電力が起電力目標値Ｅ
Cに近づくようにポンプ電流値が制御されることとな
る。ここで、内部抵抗測定手段は、ポンプ電流制御手段
による酸素ポンプ素子へのポンプ電流の出力を、予め定
められたタイミングで遮断するポンプ電流遮断手段を備
えるとともに、内部抵抗検出電流通電手段は、ポンプ電
流の出力が遮断された状態で酸素濃淡電池素子に対し内
部抵抗検出電流を通電するものとして構成することがで
きる。これにより、内部抵抗検出電流とポンプ電流との
干渉が防止され、酸素濃淡電池素子の内部抵抗を精度よ
く検出することができる。

【００２８】この場合、ポンプ電流の出力を長時間に亙
って遮断すると、濃淡電池起電力が起電力目標値ＥCか
ら外れて不安定化し、排気ガス中の被検出成分の検出と
いう本発明の装置の本来の目的に支障をきたすこともあ
りうる。そこで、内部抵抗測定手段においてポンプ電流
遮断手段は、ポンプ電流制御手段によるポンプ電流の出
力を所定の時間間隔で周期的に遮断するものとし、それ
によって該内部抵抗測定手段は、その周期的なポンプ電
流出力の遮断に対応して酸素濃淡電池素子の内部抵抗を
周期的に測定するものとして構成することができる。こ
れにより、ポンプ電流の出力を長時間連続的に中断する
ことなく、内部抵抗測定の頻度を高めることができ、ひ
いては被検出成分の濃度測定結果に対する温度補償をよ
り高精度で行うことが可能になるとともに、該内部抵抗
値を温度情報として用いる発熱制御手段の、発熱素子に
対する温度制御の精度を高めることができる。

【００２９】次に、本発明において使用される排気ガス
センサは、例えばガソリンエンジンの酸化触媒コンバー
タ、あるいは三元触媒コンバータの下流側に配置され、
該コンバータ中の三元触媒の劣化を検知するものとして
構成することができる。この場合、排気ガス中の酸素
は、上流側の触媒においてＣＯあるいはＨＣの酸化のた
めにかなりの部分が消費された状態で、排気ガスセンサ
に導入されることとなる。この場合、検出に係る排気ガ
ス中の酸素濃度は、おおむね５０００ｐｐｍ以下のレベ
ルとなっていることから、排気ガスセンサとしては、酸
素濃度が上述のように低い領域で被検出成分を精度よく
検出できるように構成することが望ましい。そのために
は、例えば酸素濃度が１００ｐｐｍに対応するセンサ出
力をＱ100とし、１０００ｐｐｍに対応するセンサ出力
をＱ1000として、出力変化率Δ（％）＝｛｜Ｑ100−Ｑ1
000｜／Ｑ100｝×１００が±３０％以下、より望ましく
は±１０％以下となるように、前述の起電力目標値ＥC
を設定するのがよい。

【００３０】なお、参考技術として、酸化触媒活性の異
なる電極を酸素濃淡電池素子の両面に形成し、その一方
の側に一定量の隙間を形成した状態で酸素ポンプ素子を
対向配置したタイプのセンサとしては、例えば特開昭６
１−９５２４３号公報に開示された空燃比センサがあ
る。しかしながら、上記公報のセンサは、混合気中のＣ
ＯあるいはＨＣ等の燃焼成分濃度と酸素濃度との比を空
燃比として検出するためのものであり、排気ガス中の被
検出成分の量を、該排気ガス中の酸素濃度とは無関係に
検出する本発明のセンサとは、根本的にその目的及び作
用・効果が異なるものである。そして、その当然の帰結
として本発明の排気ガスセンサは、酸素濃淡電池素子に
対する起電力目標値ＥCが、上記公報の空燃比センサと
は異なる上記本発明特有の使用目的に適合するように設
定され、また酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池素子の起
電力を該起電力目標値ＥCに近付けるように作動すると
いう、上記公報技術には全く開示されていない特徴を有
しているのである。

【００３１】次に、酸素濃淡電池素子の両面に形成され
た第二及び第三電極は、被検出成分に対する酸化触媒活
性が互いに異なるものとして構成することができる。こ
れにより、前述の隙間と反対空間との間の被検出成分の
消費量の差が大きくなり、センサ出力レベルが高められ
て、被検出成分の検出感度を向上させることができる。
この場合、第二電極の上記酸化触媒活性が第三電極より
も大きくなるようにすれば、排気ガス中の被検出成分の
濃度に対するセンサ出力の直線性が高められ、ひいては
被検出成分の検出精度をさらに向上できる場合がある。
なお、該構成において酸素ポンプ素子は、酸素濃淡電池
素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少するよう
に、隙間に酸素を汲み込むものとされる。ここで、第一
電極及び第二電極の双方について、被検出成分に対する
酸化触媒活性を第三電極よりも大きくすると、上記隙間
と反対空間との間の被検出成分の消費量の差がさらに大
きくなり、被検出成分の検出感度を高めることができ
る。

【００３２】より具体的には、第二電極と第三電極と
は、次のように定義される被検出成分転換率ηの差が２
０％以上となるものを組み合わせて使用することが望ま
しい。すなわち、直径１２mm×厚さ１mmの酸素イオン伝
導性固体電解質の円板上に、第二電極ないし第三電極と
同一の材質及び条件により直径８mmの円板状の多孔質電
極を形成した試料を、ガスの入口と出口とを有した筒状
体内に配置するとともにこれをセンサ作動温度に加熱
し、その状態で該筒状体に対し、酸素３００ｐｐｍと被
検出成分３５０ｐｐｍと水蒸気３％とを含有し、残部が
アルゴンからなる試験ガスを入口から流速１００ｍｌ／
分で導入して、これを出口から排出させたときの、排出
後の試験ガス中の被検出成分濃度をＣｓ（単位：ｐｐ
ｍ）として、上記被検出成分転換率η（％）を、次式： η＝｛（３５０−Ｃｓ）／３５０｝×１００ ‥‥(1) により求める。

【００３３】すなわち、試験ガス中に含まれる被検出成
分が、電極を酸化触媒として酸化され消費されると、排
出後の試験ガス中の被検出成分濃度Ｃｓは減少すること
から、上記被検出成分転換率ηは大きくなる。従って該
ηを、センサ中の各電極の被検出成分に対する酸化触媒
活性を表すパラメータ、ひいては隙間ないし反対空間に
おける被検出成分の消費量を反映したパラメータとして
用いることができる。そして、第二電極と第三電極との
間で、上記ηの値の差を２０％以上とすることにより、
隙間と反対空間との間の被検出成分の消費量の差が大き
くなり、センサ出力レベルが高められて、被検出成分の
検出感度を向上させることができる。例えば第二電極を
第三電極よりも酸化触媒活性の高いものとして構成する
場合は、第二電極を、その被検出成分転換率ηが第三電
極のそれよりも２０％以上高くなるように構成するのが
よい。なお、ηの値の差はより望ましくは３０％以上と
するのがよい。

【００３４】ここで、電極の上記ηの値はセンサ作動温
度に応じて変化する。そして、センサ作動温度は、上記
ηの差が２０％以上、望ましくは３０％以上となるよう
に設定するのが望ましいといえる。この場合、印加電圧
を一定とした場合の酸素ポンプ素子のポンプ電流値がな
るべく高くなるように、センサ作動温度を設定すれば、
被検出成分の検出感度はさらに向上する。

【００３５】次に、被検出成分が例えばＣＯあるいはＨ
Ｃの場合、上記第一〜第三電極のうち、酸素との反応に
対する触媒活性が高くなるべきものは、Ｐｔ、Ｐｄ及び
Ｒｈのいずれかを主体とする金属（単体又は合金）又
は、Ｐｔ−Ｐｄ系合金、Ｐｔ−Ｒｈ系合金、Ｒｈ−Ｐｄ
系合金、Ｐｄ−Ａｇ系合金等（以下、本明細書において
は、これらを高活性金属グループという）で構成するこ
とができる。また、逆に触媒活性が低くなるべきもの
は、Ａｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれかを主体とする金属
（単体又は合金）又は、Ｐｔ−Ａｕ系合金，Ｐｔ−Ｎｉ
系合金、Ｐｔ−Ａｇ系合金，Ａｇ−Ｐｄ系合金、Ａｕ−
Ｐｄ系合金等（以下、本明細書において、これらを低活
性金属グループという）により構成することができる。
いずれの金属も、前述の素子を構成する固体電解質へ酸
素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電
解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対
する可逆的な触媒機能（以下、酸素解離触媒機能とい
う）は高いが、炭化水素系の被検出成分と酸素との反応
に対する触媒活性については、前者のグループと後者グ
ループとの間では大きな差がある。そして、例えば第一
電極と第二電極とをＰｔ、Ｐｄ及びＲｈのいずれかを主
体とする金属等の高活性金属グループに属するもので構
成し、第三電極をＡｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれかを主体
とする金属等の低活性金属グループに属するものにより
構成すれば、前述の隙間と反対空間との間の被検出成分
の消費量の差が大きくなり、センサ出力レベルが高めら
れて被検出成分の検出感度を向上させることができる。
上記被検出成分と酸素との反応に対する触媒活性につい
ては、Ｐｔ又はＰｄとＡｕとの間の差が特に著しく、こ
れらを主体とする金属を電極材料として採用すること
は、上述の効果を高める上でさらに望ましいといえる。

【００３６】被検出成分が例えばメタンである場合、例
えば上記材質の電極の組合せにより、その検出感度と選
択性が特に向上する場合がある。とりわけ、酸化触媒活
性の高い側の電極をＰｔ又はＰｄを主体とする金属で構
成し、同じく低い側の電極をＡｕを主体とする金属で構
成した場合には、メタン検出に対する選択性を著しく向
上させることができる。

【００３７】なお、被検出成分に対する酸化触媒活性の
小さい電極を構成する場合、その少なくとも排気ガスと
の接触表面を含んだ部分を、被検出成分と酸素との反応
に対して触媒不活性な材料で構成することができる。こ
の場合、電極の全体を上記触媒不活性な材料で構成でき
ることはもちろんであるが、排気ガスとの接触部におい
て、その表層部のみを触媒不活性な材料で構成するよう
にしてもよく、例えば触媒活性な材料で本体部を形成
し、その表面に触媒不活性な材料によりコーティングを
施して電極を得るようにしてもよい。触媒不活性な材料
としては、例えば、前述のＡｕ、Ｎｉ及びＡｇのいずれ
かを主体とする金属等の低活性金属グループに属するも
の、あるいはＳｎＯ₂、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、Ｂｉ
₂Ｏ₃等の酸化物を例示することができる。

【００３８】次に、酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子
との間に形成される隙間には、金属メッシュ又は多孔質
金属で構成されたガス保持部材を介挿してもよい。この
ようにすると、該ガス保持部材が上記隙間形成のための
スペーサとして機能し、隙間の寸法精度を高めることが
できる。なお、上記ガス保持部材をメッシュで構成する
場合、その網目の形成密度が１００〜５００メッシュの
ものを使用することが望ましい。

【００３９】また、酸素濃淡電池素子の第三電極の形成
された側に、該酸素濃淡電池素子との間に所定の隙間を
形成する隙間形成部材を配置することができる。こうす
れば、前述のオフセット起電力の絶対値が小さくなり、
またその変動が少なくなって、センサの検出精度が高め
られる場合がある。この場合、隙間形成部材は、酸素濃
淡電池素子をセンサ作動温度に加熱するための板状の加
熱素子とすることができる。こうすれば、加熱素子が隙
間形成部材を兼ねることになり、センサをコンパクトに
構成できる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に示す実施例を参照して説明する。図１は、本発明にお
いて使用される排気ガスセンサ１の要部の構成を示す分
解斜視図である。すなわち、排気ガスセンサ１は、それ
ぞれ横長板状に形成された第一のヒータ２（加熱素
子）、酸素ポンプ素子３、酸素濃淡電池素子４及び第二
のヒータ５（加熱素子）がこの順序で積層されたものと
して構成されている。図２（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に、第一のヒータ２と酸素ポンプ素子３との間、酸素ポ
ンプ素子３と酸素濃淡電池素子４との間、及び酸素濃淡
電池素子４と第二のヒータ５との間には、それぞれガラ
スあるいはセメント等で構成されたスペーサ６，７，８
が介挿されており、各素子間には所定量の隙間１４〜１
６がそれぞれ形成される。なお、隙間１５は、請求項で
いう酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間の隙間
に、また隙間１６は同じく反対空間に相当する。また、
第二のヒータ５は、隙間形成部材の役割も果たしてい
る。

【００４１】酸素ポンプ素子３及び酸素濃淡電池素子４
は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成さ
れている。そのような固体電解質としては、Ｙ₂Ｏ₃ない
しＣａＯを固溶させたＺｒＯ₂が代表的なものである
が、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸
化物とＺｒＯ₂との固溶体を使用してもよい。また、ベ
ースとなるＺｒＯ₂にはＨｆＯ₂が含有されていてもよ
い。なお、第一及び第二のヒータ２，５は、公知のセラ
ミックヒータで構成されている。

【００４２】次に、酸素ポンプ素子３は横長板状に形成
され、その長手方向における一方の端部寄りにおいてそ
の両面に、酸素分子解離能を有した多孔質電極１０，１
１が形成されている。また、酸素濃淡電池素子４（温度
検出手段としても機能する）には、上記酸素ポンプ素子
３の電極１０，１１に対応する位置においてその両面
に、同様の多孔質電極１２，１３が形成されている。ま
た、前述のスペーサ６〜８は、それら多孔質電極１０〜
１３と干渉しない位置において、例えば素子３ないし素
子４の縁部に断続的に沿うように配置され、上記各隙間
１４〜１６への排気ガスＥＧの導入が許容されるように
なっている。また、酸素ポンプ素子３の電極１１と酸素
濃淡電池素子４の電極１２とは、隙間１５を挟んで互い
に対向するように配置される。

【００４３】酸素ポンプ素子３の各多孔質電極１０，１
１からは、該素子３の長手方向に沿って排気ガスセンサ
１の取付基端側に向けて延びる電極リード部１０ａ，１
１ａがそれぞれ一体に形成されており、該基端側におい
て酸素ポンプ素子３には接続端子１０ｂ，１１ｂの一端
が埋設されている。そして、例えば、接続端子１０ｂ，
１１ｂは、図２（ｂ）に示すように、金属ペーストを焼
結することにより形成された導通部１０ｆにより、電極
リード部１０ａ，１１ａの末端に対して電気的に接続さ
れている。また、酸素濃淡電池素子４の各多孔質電極１
２，１３にも同様に電極リード部１２ａ及び１３ａが一
体に形成されており、それぞれ接続端子１２ｂ，１３ｂ
が取り付けられている。

【００４４】図３（ａ）は、排気ガスセンサ１の全体の
構成例を、また（ｂ）はその内部構造を示している。す
なわち、第一のヒータ２、酸素ポンプ素子３、酸素濃淡
電池素子４及び第二のヒータ５がスペーサ６〜８を介し
て積層されて積層体３１が形成されるとともに、角型の
貫通孔３０ａを有するセラミックストッパ３０が、積層
体３１に対し外側から嵌着されている。上記積層体３１
は、一端側が開放し、貫通孔３２ａが形成された底部３
２ｂを他端側に有するセラミック碍管３２の内側に、各
電極１０〜１３の形成された端部（以下、検出端部とい
う）３１ａが貫通孔３２ａから突出するように配置され
るとともに、該碍管３２と積層体３１との間にはガラス
Ｇが充填されいる。なお、セラミックストッパ３０は、
その端面が碍管３２の底部３２ｂの内面と当接すること
により、積層体３１の碍管３２からの突出量を規定する
役割も果たしている。

【００４５】また、碍管３２の外側は、金属製の外筒３
３と、かしめ結合部３４ａにより該外筒３３と一体化さ
れた主体金具３４とにより覆われている。主体金具３４
の外周面には、センサ１を排気管等の図示しない取付部
に取り付けるための雄ねじ部３４ｂが形成されるととも
に、その先端側に形成された開口部３４ｃおいて、前述
の積層体３１の検出端部３１ａを突出させている。ま
た、主体金具３４の開口部３４ｃの周縁には円環状のプ
ロテクタ取付スリーブ３４ｄが一体的に形成されてい
る。そして、検出端部３１ａを覆うとともに、該検出端
部３１ａへの排気ガスの流通を許容する多数の貫通孔３
５ａを有した円筒状のプロテクタ３５が、上記プロテク
タ取付スリーブ３４ｄに対し外側から嵌着され、さらに
スポット溶接等により接合され一体化されている。一
方、碍管３２の中間部において主体金具３４との間に形
成される空間には、そのかしめ結合部３４ａに近い側
に、かしめ時の加工力を受けとめるためのかしめ金具３
６が配置され、さらに残余の空間には充填材８０が充填
されている。

【００４６】一方、積層体３１を構成する各素子２〜５
の接続端子（図１等）には、リード線３７が溶接等によ
り接合されており、その末端側が碍管３２及び外筒３３
の端部から外側に延出している。なお、リード線３７の
中間部はゴム等の弾性材料で構成されたシール部材３８
により覆われており、そのさらに外側には金属製の保護
外筒３９がはめ込まれている。そして、該保護外筒３９
の端縁側が外筒３３に対してかしめにより一体化されて
いる。

【００４７】上記排気ガスセンサは、例えば排気管に設
けられた取付部に対し、プロテクタ３５側が該排気管内
に位置するように取り付けられる。図４に示すように、
この状態で酸素ポンプ素子３には、多孔質電極１０，１
１の一方が正、他方が負となるように前述のリード線３
７（図３）を介して電圧が印加される。そして、極性が
正となる多孔質電極においては、これと接する排気ガス
中の酸素分子が該電極上で解離され、上記印加された電
圧が駆動力となって解離された酸素がイオンの形で素子
３内に送り込まれる。また、上記電圧印加により素子３
内を輸送される酸素イオンは、極性が負となる多孔質電
極上で電子を受け取り、さらに酸素分子に再結合して雰
囲気中に放出される。

【００４８】また、酸素濃淡電池素子４においては、多
孔質電極１２，１３には電圧が印加されず、それら電極
１２，１３とそれぞれ接する排気ガス中の酸素分子が該
電極１２，１３上で解離され、それぞれ酸素イオンの形
で素子４内に拡散する。そして、電極１２側と１３側と
で酸素濃度に差がある場合には、素子４内に酸素イオン
の濃度勾配が生じ、その濃度勾配に応じた濃淡電池起電
力が両電極１２，１３間に生ずることとなる。なお、以
下においては、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４
との間に形成されている隙間１５に関し、酸素ポンプ素
子３の該隙間１５に面さない多孔質電極１０を外側電
極、同じく隙間１５に面する多孔質電極１１を第一電
極、隙間１５に面する酸素濃淡電池素子４の多孔質電極
１２を第二電極、同じく隙間１５に面さない多孔質電極
１３を第三電極と呼ぶことにする。

【００４９】一方、上記多孔質電極１０〜１３のうち、
少なくとも一部のものは、上述の酸素分子の解離ないし
再結合を行う役割のほかに、これと接する排気ガス中の
炭化水素系の被検出成分と酸素との結合反応、すなわち
被検出成分の燃焼反応を促進する酸化触媒としても機能
する。そして、本発明の排気ガスセンサでは、上記４つ
の電極１０〜１３のうち、第一電極１１、第二電極１２
及び第三電極１３の３つのものについて、被検出成分に
対する酸化触媒活性が、酸素濃淡電池素子４の両側（す
なわち隙間１５側と隙間１６側）において酸素との反応
による被検出成分の消費量に差が生じるように調整され
る。

【００５０】具体的には、図４において、第一電極１１
と第二電極１２とが例えば炭化水素に対する酸化触媒活
性が高いＰｔ多孔質電極により、また、第三電極１３が
該酸化触媒活性が低いＡｕ多孔質電極によりそれぞれ構
成される。なお、隙間１５及び隙間１６の大きさは、ス
ペーサ７及び８の高さ調整によりそれぞれ１mm以下の範
囲で調整される。一方、第一電極１１の面積Ｓpは第二
電極１２の面積ＳSと等しいか、それよりも大きく設定
される。

【００５１】酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素子４と
は、例えば以下の方法により製造することができる。す
なわち、固体電解質粉末を有機バインダとともに混練し
た生素地を用いて、酸素センサ素子３ないし酸素濃淡電
池素子４に対応した形状の成形体を作製する。なお、接
続端子１０ｂ〜１３ｂは、その端部を成形体中に埋め込
んでおく。次に、Ｐｔ等の金属粉末に、素子３ないし素
子４を構成する固体電解質と同じ材質のセラミック粉末
を所定量（例えば１０重量％程度）混合して作製したペ
ーストを用いて、上記成形体の両面に電極１０〜１３
（及び電極リード部１０ａ〜１３ａ）の印刷パターンを
形成する。そして、これを焼成することにより、酸素ポ
ンプ素子３と酸素濃淡電池素子４とが得られる。なお、
印刷パターンは焼結されてそれぞれ電極１０〜１３及び
電極リード部１０ａ〜１３ａとなる。ただし、Ａｕ、Ａ
ｇ、Ｐｄやこれらの合金など、セラミックス（固体電解
質）の焼成温度よりも低い融点の金属を電極材料として
用いる場合には、前記成形体を焼成した後にペースト印
刷し、セラミックスの焼成温度より低い温度で焼き付け
てもよい。

【００５２】排気ガスセンサ１の作動原理の概要は以下
の通りである。図４に示すように、排気ガスセンサ１を
排気管に取り付け、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電池素
子４との間の隙間１５と、酸素濃淡電池素子４とヒータ
５との間の隙間１６（反対空間）とに、それぞれ炭化水
素系の被検出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入さ
れると、隙間１５側に位置する電極１１，１２がいずれ
もＰｔで形成されており、隙間１６側に位置する電極１
３がＡｕで構成されていることから、該排気ガス中の被
検出成分の酸化による消費量は、隙間１５側において隙
間１６側よりも大きくなる。そして、被検出成分の消費
量の大きい側においては、排気ガスＥＧ中の酸素の消費
量も大きくなることから、隙間１６内の酸素濃度は隙間
１５内のそれよりも高くなり、酸素濃淡電池素子４には
隙間１６側を正とする濃淡電池起電力が生ずる。

【００５３】そして、上記濃淡電池起電力の絶対値が例
えば１０ｍＶ以下の一定値となるように、酸素ポンプ素
子３により隙間１４側から隙間１５側へ酸素を汲み込む
と、該酸素ポンプ素子３を流れる電流（以下、酸素ポン
プ電流あるいはポンプ電流という）は、被検出成分の酸
化に消費された酸素量を反映した値となる。また、排気
ガスＥＧ中の被検出成分の濃度が高くなると、その酸化
により消費される酸素量は増大し、結果としてポンプ電
流も大きくなる。従って、ポンプ電流を測定することに
より、排気ガスＥＧ中の被検出成分の濃度を知ることが
できる。

【００５４】図５は、本発明の排気ガス中の被検出成分
濃度の測定装置（以下、単に測定装置ともいう）の一例
の電気的構成を示すブロック図である。すなわち、該測
定装置５０は、上記排気ガスセンサ１と、マイクロプロ
セッサ５１と、それら排気ガスセンサ１とマイクロプロ
セッサ５１とを接続する周辺回路５０ａとから構成され
ている。なお、マイクロプロセッサ５１のＣＰＵ５３
は、ＲＯＭ５５に格納された制御プログラム５５ａによ
り、被検出成分濃度情報補正手段、通電制御手段、ポン
プ電流補正量決定手段、補正演算手段、補正濃度情報生
成手段、内部抵抗測定手段、温度情報生成手段、濃淡電
池起電力測定手段及び電圧情報補正手段の主体をなす。

【００５５】排気ガスセンサ１の酸素濃淡電池素子４の
第二電極１２は、抵抗器６３（抵抗値Ｒ4）を介して接
地される一方、第三電極１３はスイッチ機構、例えばＣ
ＭＯＳ−ＩＣ等で構成された両極性型アナログスイッチ
回路６０のスイッチＳｗ1を介して反転増幅用のオペア
ンプ６１（ポンプ電流制御手段）の負端子側に接続され
ている。一方、オペアンプ６１の正端子側には起電力目
標値ＥCを与えるための電源回路６５が接続されてい
る。該電源回路６５は、起電力目標値ＥCの設定値を一
定の範囲で変更可能に構成されている。例えば図に示す
例においては、３つの固定抵抗６６ａ〜６６ｃと１つの
可変抵抗６６ｄを各辺に備えるブリッジ回路６６と、こ
れに接続された電源６７とを含んで構成されている。可
変抵抗６６ｄの抵抗レンジをＲmin〜Ｒmaxとして、Ｒmi
n＜Ｒe＜Ｒmaxとなるある抵抗値Ｒeにおいてブリッジが
平衡し、オペアンプ６１の端子への出力電圧が０となる
ように、固定抵抗６６ａ〜６６ｃの各抵抗値が調整され
ている。そして、可変抵抗６６ｄの抵抗値をＲeからそ
れぞれＲmin又はＲmax側にずらせることにより、起電力
目標値ＥCは０Ｖを挟んでそれぞれ正負両側に一定の範
囲で変更可能となる。

【００５６】次に、オペアンプ６１は、周辺の抵抗器６
１ａ〜６１ｄとともに差動増幅器を構成し、その出力側
は電流検出用の抵抗器６２を介して酸素ポンプ素子３の
外側電極１０に接続されている。一方、酸素ポンプ素子
３の第一電極１１側は、酸素濃淡電池素子４の第二電極
１２と共通接地されている。これにより、オペアンプ６
１は、酸素濃淡電池素子４の濃淡電池起電力入力Ｅm
と、起電力目標値ＥCとの差電圧Ｅm−ＥCを反転増幅し
て酸素ポンプ素子３の第一電極１１側に印加することと
なる。なお、抵抗器６１ａ及び６１ｂの電気抵抗値をそ
れぞれＲ1及びＲ2とすれば、オペアンプ６１の電圧ゲイ
ンはＡ1＝Ｒ1／Ｒ2である。

【００５７】ここで、図６に示すように、Ｅm＞ＥCであ
ればＥm−ＥC＞０であるから、オペアンプ６１の出力電
圧−Ａ1（Ｅm−ＥC）は負となり、酸素ポンプ素子３に
は第一電極１１側が負となるように電圧が印加され、酸
素ポンプ素子３には隙間１５に酸素を汲み込む方向にポ
ンプ電流Ｉpが流れる。このポンプ電流Ｉpは、電流検出
用抵抗器６２（抵抗値Ｒ3）の両端電圧差の形で、周辺
の抵抗器６４ａ〜６４ｄとともに差動増幅器を構成する
オペアンプ６４により電圧信号として取り出され、さら
に図５に示すように、ダイポーラ型のＡ／Ｄ変換器７０
でデジタル化されてマイクロプロセッサ５１に入力され
る。

【００５８】次に、酸素濃淡電池素子４の第三電極１３
側には、アナログスイッチ回路６０のＳｗ2及びＳｗ3を
介して、電流値ＩCで極性が互いに異なる定電流電源回
路７３と７４とがそれぞれ接続されている。また、上記
第三電極１３側の電圧信号ＶSは、ダイポーラ型のＡ／
Ｄ変換器７１でデジタル変換されてマイクロプロセッサ
５１に入力されるようになっている。なお、アナログス
イッチ回路の各スイッチＳｗ1〜Ｓｗ3は、マイクロプロ
セッサ５１からの制御信号を受けてオン・オフする。

【００５９】また、排気ガスセンサ１の第一及び第二の
ヒータ２及び５は、例えば共通のヒータ通電回路７２を
介してマイクロプロセッサ５１に接続されている。図７
（ａ）にヒータ通電回路７２の一例を示している。該ヒ
ータ通電回路７２は、マイクロプロセッサ５１から与え
られるヒータ制御値をアナログ変換するＤ／Ａ変換器８
０と、これに接続され電流増幅用のトランジスタ８２と
を備え、このトランジスタ８２にヒータ２及び５が接続
されている。トランジスタ８２は能動領域で作動し、与
えられるヒータ制御値に応じてヒータ２，５の通電電流
を増加させる。

【００６０】一方、図７（ｂ）は、ＰＷＭ（pulse wist
h moduration）制御方式を採用したヒータ通電回路７２
の例を示すものである。この回路７２の主体をなすのは
ＰＷＭ制御回路８５であり、マイクロプロセッサ５１か
ら与えられるヒータ制御値をアナログ変換するＤ／Ａ変
換器８６と、三角波（あるいはのこぎり波）発生回路８
７と、それらＤ／Ａ変換器８６及び三角波発生回路８７
からの出力がそれぞれ入力される単電源オペアンプ８８
とを含んで構成されている。単電源オペアンプ８８は、
ヒータ制御値と三角波入力値との大小関係に応じてゼロ
及びゼロでない所定電圧Ｖのいずれかを出力するコンパ
レータとして作動する（本実施例では、三角波入力値が
大きい場合に＋Ｖ、ヒータ制御値が大きい場合にゼロが
出力されるものとする）。以下、オペアンプ８８をコン
パレータ８８とよぶ。

【００６１】また、図７（ｃ）は、三角波発生回路８７
の一例を示すものであり、その要部はコンパレータとし
て機能するオペアンプ８９と、オペアンプ９８と抵抗器
９７及びコンデンサ９９とからなる積分回路１００とか
らなる。オペアンプ８９は、図中Ａ点とＢ点の電圧加算
値が正であるか負であるかに応じて、それぞれ正負の最
大電圧を出力する。そして、このオペアンプ８９の出力
電圧は、ダイオード群９２〜９５とツェナーダイオード
９６により、０Ｖに対する正負の電圧が一定値ＶZDの方
形波となり、これが積分回路１００によって０Ｖに対す
る正負の最大振幅がＶZDの三角波に変換される。なお、
三角波の周期λ（図９）は、積分回路１００の抵抗器９
７の抵抗値とコンデンサ９９の容量に応じて調整でき
る。発生した三角波は、オペアンプ１００により所定の
振幅に増幅されて図７（ｂ）のコンパレータ８８に出力
される。

【００６２】図８は、ＰＷＭ制御回路８５の作動説明図
であり、コンパレータ８８の入力において、ヒータ制御
電圧値Ｖiが三角波入力Ｖtよりも小さくなっている期間
においてはコンパレータ８８の出力は＋Ｖとなり、そう
でない場合はゼロとなる。これにより、コンパレータ８
８はデューティ比が｛（Ｖi＋Ｖmax）／２Ｖmax｝×λ
（ただし、−Ｖmax≦Ｖi≦＋Ｖmax、Ｖmaxは三角波入力
の最大振幅）のＰＷＭ波を出力することとなる。このＰ
ＷＭ波出力により図７（ｂ）のトランジスタ８２が高速
でスイッチングされ、ヒータ２，５は上記デューティ比
により断続的に通電される。そして、このデューティ比
がヒータ制御電圧値Ｖiに応じて変化することにより、
ヒータ２，５の発熱が調整される。

【００６３】次に、マイクロプロセッサ５１は、周辺回
路５０ａとの間の出入力インターフェースとなるＩ／Ｏ
ポート５２と、これに接続されたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５
４、ＲＯＭ５５及びクロック回路５６等により構成され
ている。そのＲＡＭ５４には、ＣＰＵ５３のワークエリ
ア５４ａと、後述する処理において取り込まれる各種測
定値のデータ、あるいは後述する制御処理の過程で生ず
る各種カウンタ値を格納するための測定値メモリエリア
５４ｂが形成されている。また、ＲＯＭ５５には、測定
装置５０の被検出成分の出力値決定の演算とその出力制
御を司る制御プログラム５５ａと、該制御プログラム５
５ａが使用する補正参照情報５５ｂ（内容については後
述する）が格納されている。また、ＣＰＵ５３は、クロ
ック回路５６が発する一定周期のクロックパルスのカウ
ントにより、後述の処理において使用される時間計測の
ためのタイマー機能を実現する。

【００６４】以下、測定装置５０の作動について、マイ
クロプロセッサ５１のＣＰＵ５３からみた処理の流れに
より説明する。図１７〜図１９はそのフローチャートを
示している。まず、図１７のＳ１において、排気ガスセ
ンサ１の活性化処理を行う。活性化処理の目的は、ヒー
タ２，５の通電を開始し、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡
電池素子４とを所定の作動温度に安定化させることにあ
る。そして、素子温度の検出は、酸素濃淡電池素子４の
内部抵抗を測定し、その内部抵抗値ＲVSが図１１（ａ）
に示すように一定の温度依存性を示すことを利用して行
う。

【００６５】その処理の詳細を図１８に示している。す
なわちＳ１０１において、ヒータ通電回路に制御値Ｖi
として所期設定値Ｖh0を設定する。このとき、アナログ
スッチ回路６０のＳｗ1〜Ｓｗ3は全てオフとし、オペア
ンプ６１も非作動状態とする。この状態で、Ｓ１０２で
ヒータ通電回路７２に対し、ヒータ制御電圧値Ｖiの初
期設定値Ｖh0を出力することでヒータの通電が開始され
る。そして、Ｓ１０２において通電開始から一定時間ｔ
0が経過したら、温度制御処理に入る。まずＳ１０４
で、図５のアナログスイッチ回路６０のＳｗ2をオンと
し、Ｓ１０５で活性化判断カウンタ値Ｎをクリアする。

【００６６】次いで、Ｓ１０６に進み、酸素濃淡電池素
子４の第三電極１３側の電圧ＶSの値をＡ／Ｄ変換器７
１（図５）を介して取り込み、Ｓ１０７でそのＶSの値
から酸素濃淡電池素子４の内部抵抗をＲVSを算出する。
すなわち、Ｓｗ1がオフであり、オペアンプ６１も非作
動であるから、定電流電源７３（電流Ｉc：内部抵抗検
出用電流）の作動により酸素濃淡電池素子４に対し図９
に示す通電経路が形成される。ここで、酸素濃淡電池素
子４の第二電極１２側が接地されていることから、第三
電極１３側の電圧ＶSは、酸素濃淡電池素子４の内部抵
抗をＲVSとして、 ＶS＝ＩC×（Ｒ1＋ＲVS）‥‥‥(1) で表される。また、抵抗器６３の電気抵抗値Ｒ1は既知
であるから、ＶSは酸素濃淡電池素子４に印加される電
圧情報としての意味を持ち、内部抵抗値ＲVSは、 ＲVS＝（ＶS／ＩC）−Ｒ1‥‥‥(2) で求めることができる。なお、厳密には電圧ＶSには酸
素濃淡電池素子４の濃淡電池起電力Ｅmが重畳されてい
るのであるが、本活性化処理においては電流Ｉcが十分
大きく、濃淡電池起電力Ｅmは酸素濃淡電池素子４にか
かる分圧に比べて無視できるものとして、その補正は行
っていない。ただし、後述する方法により補正を行って
もよい。

【００６７】前述の通り、図１１（ａ）に示すように、
ＲVSの値は酸素濃淡電池素子４の素子温度Ｔと一定の関
係を有しており、該関係を補正参照情報５５ｂとしてＲ
ＯＭ５５に記憶しておけば、ＲVSの値から素子温度Ｔを
決定することができる。また、ＲVSの値そのものを温度
情報として使用することもできる。本実施例では、説明
をわかりやすくするために、図１１（ｂ）に示すよう
に、各種内部抵抗ＲVSの値と素子温度Ｔの値とを互いに
対応付けて示すマップ２０１がＲＯＭ５５に記憶されて
おり、このマップ２０１を参照して補間法によりＲVSに
対応する温度Ｔを求めるようにしている（Ｓ１０７）。
なお、算出された内部抵抗ＲVSの値は、図５の測定値メ
モリエリア５４ｂに格納され、新たな内部抵抗ＲVSの検
出・算出が行われた場合は上書き更新される。

【００６８】この決定された素子温度Ｔが、上限値Ｔma
x、下限値Ｔminの設定温度範囲内に入っているか否かが
Ｓ１０８、Ｓ１１０で判断される。素子温度Ｔが上限値
Ｔmaxよりも大きくなっている場合は、ヒータ制御電圧
値Ｖiが一定の値ΔＶiだけ減少してヒータ２，５の発熱
が抑制され、逆に下限値Ｔminを下回っている場合には
ヒータ制御電圧値ＶiがΔＶiだけ増加してヒータ２，５
の発熱が促進される（Ｓ１０９，Ｓ１１１）。また、Ｔ
min≦Ｔ≦ＴmaxであればＶi現状の値が維持され、活性
化判断カウンタ値Ｎをインクリメントする（Ｓ１１２，
Ｓ１１３）。

【００６９】そして、活性化判断カウンタ値Ｎの値が、
例えば設定値ＮSに到達するまで、上記Ｓ１０６〜Ｓ１
１３の処理を一定の時間間隔ｔaで繰返し（Ｓ１１４，
Ｓ１１５）、ＮがＮSに到達すれば、素子温度Ｔはほぼ
上記設定温度範囲内に維持されたものとみなし、図５に
おいてアナログスイッチ回路６０のＳｗ2をオフ、Ｓｗ1
をオンとし、さらにオペアンプ６１を作動状態として所
定時間ｔ2だけウォームアップした後、活性化処理が終
了する（Ｓ１１６，Ｓ１１７）。

【００７０】図１７に戻り、活性化処理Ｓ１が終了する
とＳ２に進み、酸素ポンプ素子３のポンプ電流Ｉpの検
出を開始する。この状態では、アナログスイッチ回路６
０は、Ｓ1のみがオンとなっているから、通電経路は図
６に示す通りとなる。この状態におけるセンサ１の作動
について以下に説明する。

【００７１】すなわち、センサ１が排気ガスと接触する
に伴い、隙間１５内では被検出成分としてのメタン等の
炭化水素（以下、ＨＣと記す）と酸素とが反応すること
で、酸素濃度が減少し、酸素濃淡電池素子４には第四電
極１３側を正とする濃淡電池起電力Ｅmが発生する。こ
こで、オペアンプ６１に入力される起電力目標値ＥCが
例えば０であるとすれば、Ｅm−ＥC＞０であるから、オ
ペアンプ６１の出力電圧−Ａ1（Ｅm−ＥC）は負とな
り、酸素ポンプ素子３には第一電極１１側が負となるよ
うに電圧が印加され、酸素ポンプ素子３には隙間１５に
酸素を汲み込む方向にポンプ電流Ｉpが流れる。する
と、酸素ポンプ素子３による隙間１５への酸素の汲み込
みが進み、濃淡電池起電力Ｅmは次第に小さくなるか
ら、酸素ポンプ電流Ｉpは小さくなる方向に制御され
る。その結果、最終的には濃淡電池起電力Ｅmはほぼ０
に近づくように酸素ポンプ電流が制御され、そのときの
酸素ポンプ電流Ｉpの平衡値から被検出成分の濃度を知
ることができる。ポンプ電流Ｉの信号は、前述の通りオ
ペアンプ６４により電流検出用抵抗器６２の両端電圧の
差を取ることで電圧信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器７０
でデジタル化されてマイクロプロセッサ５１に入力され
る。しかしながら、起電力目標値ＥCは実際には必ずし
も０に設定されるとは限らない。その理由について以下
に説明する。

【００７２】まず、濃淡電池起電力が０であるというこ
とは、理論上は酸素濃淡電池素子４の両側（すなわち、
隙間１５及び１６）の酸素濃度が等しくなっていること
を意味する。このことは、ポンプ電流が隙間１５と１６
とにおける被検出成分の消費量の差に直接的に対応して
いることも意味するから、被検出成分の濃度を精度よく
検出でき、また検出結果の解析も容易になる。しかしな
がら通常は、隙間１５及び１６の酸素濃度が等しくなっ
ても、酸素濃淡電池素子４の起電力は実際には０にはな
らず、一定のオフセット起電力が残ることが多い。この
場合は、上記オフセット起電力に対応する起電力目標値
ＥCを１０ｍＶ以下の範囲で設定し、濃淡電池起電力の
絶対値が該起電力目標値ＥCに到達したときの酸素ポン
プ素子３に流れる電流値を検出信号として採用すること
で、排気ガス中の被検出成分の濃度をより正確に検出で
きる。

【００７３】また、酸素濃淡電池素子４のオフセット起
電力は、検出に係る排気ガス中の酸素濃度が低くなるほ
ど変動しやすくなり、一定以下の酸素濃度におけるオフ
セット起電力を基準として起電力目標値ＥCを設定する
と、センサ出力が排気ガス中の酸素濃度の影響を受けや
すくなる。そこで、酸素を例えば１体積％以上（望まし
くは１０体積％以上）含有し、かつセンサ作動温度にお
いて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガス
を、隙間１５及び１６にそれぞれ導入したときのオフセ
ット起電力の絶対値をＥOS（単位：ｍＶ）とし、これを
基準として起電力目標値ＥCを（ＥOS−５）ｍＶ以上
（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲内で設定することが有効で
ある。

【００７４】この起電力目標値ＥCの変更・調整は、前
述の通り電源回路６５の可変抵抗６６ｄの調整により行
うことができる。なお、酸素濃淡電池素子４のオフセッ
ト起電力は、酸素濃淡電池素子４毎に互いに異なる値と
はなっても、同一の酸素濃淡電池素子４においては比較
的長期に亙って安定した値を示し続けることが多い。そ
こで、可変抵抗６６ｄは、例えば装置５０の出荷時等に
おいて、使用されている酸素濃淡電池素子４の固有のオ
フセット起電力に対応して一旦抵抗値を調整してしまえ
ば、後は変更の必要性がなくなることも十分に考えられ
る。この場合は、可変抵抗６６ｄを半固定抵抗器により
構成しておけば便利である。

【００７５】さて、図１７に戻り、ポンプ電流Ｉpの値
が検出されたら、このポンプ電流Ｉpに対応する被検出
成分の濃度を決定する。しかしながら、ポンプ電流Ｉp
の値は素子温度Ｔによって変動するから、以下のように
して補正を行う。まず、ＲＡＭ５４に記憶されている酸
素濃淡電池素子４の内部抵抗値ＲVSの値を読み込んで、
対応する温度Ｔを前述のマップ２０１（図１１）を参照
して決定する（図１７：Ｓ３）。そして、ポンプ電流Ｉ
pの値に対する各温度毎のポンプ電流補正量ΔＩpは、例
えば図１２（ｂ）に示すような形で実験的に決定するこ
とが可能であるから、各ΔＩpの値と素子温度Ｔの値と
を互いに対応付けて示すマップ２０２をこれに基づいて
作成し、これをＲＯＭ５５（補正参照情報記憶手段）に
記憶しておけば、各ポンプ電流補正量ΔＩpはこのマッ
プ２０２（温度偏差−ポンプ電流補正量関係情報）を参
照して補間法によりに決定することができる（Ｓ４）。
なお、図１６（ａ）に示すように、内部抵抗値ＲVSとポ
ンプ電流補正量ΔＩpとを直接対応させたマップ２０２
ａを記憶しておき、内部抵抗値ＲVSの値から直接補正量
ΔＩpを決定するようにしてもよい。

【００７６】次いでＳ５に進み、ポンプ電流補正量ΔＩ
pを実測されたポンプ電流Ｉpに加算してこれを補正する
とともに、その補正後のポンプ電流Ｉp’に対応する被
検出成分濃度としての炭化水素濃度ＣHCを決定する。す
なわち、各種ポンプ電流Ｉp’の値に対する炭化水素濃
度ＣHCの値は、例えば図１４に示すような、ポンプ電流
Ｉp’と炭化水素濃度ＣHCとの関係を与えるマップ２０
４（ＲＯＭ５５に記憶されている）を参照して、補間法
により決定することができる。こうして、炭化水素濃度
ＣHCが決定されれば、Ｓ６において、これを温度補償さ
れた濃度検出値として出力する。以降はＳ２に戻って以
降の処理が繰り返される。

【００７７】なお、図１６（ｂ）に示すように、素子温
度Ｔの各種値毎に、ポンプ電流Ｉpと炭化水素濃度ＣHC
とを互いに対応付けて示した二次元的なマップ２０２ｂ
（ポンプ電流情報−被検出成分濃度関係情報）により、
検出されたポンプ電流Ｉpの値と素子温度Ｔの値との組
に対応する炭化水素濃度ＣHCの値を、二次元補間により
直接的に決定するようにしてもよい。また、あるいは上
述の方法により温度補償を行ったポンプ電流Ｉpの値を
そのまま出力するようにしてもよい。

【００７８】次に、素子温度Ｔは、活性化処理の際に設
定された後も、上記炭化水素濃度の検出処理と平行して
その制御が継続される。その処理の流れを図１９に示し
ている。なお、この処理ルーチンは、図１７のルーチン
に対する割り込み処理ルーチンとして、クロックパルス
（クロック回路５６による）に基づく時間計測によりＣ
ＰＵ５３が周期的に実行するものである。該実行の周期
であるが、例えば０．３〜１mｓの範囲で設定すること
ができる。実行周期が１mｓを超えると、温度測定ひい
てはセンサによる濃度検出精度が十分確保できなくなる
場合がある。一方、０．３mｓ未満になると、ＣＰＵ５
３の処理時間に占める温度測定処理の比率が大きくなり
過ぎ、酸素ポンプ素子の作動停止時間が長くなって濃度
検出精度が十分確保できなくなる場合がある。ただし、
ＣＰＵ５３としてクロック周波数の高いものなど、高速
処理の可能なものを採用することで、実行周期を上記値
以下とできる可能性もある。なお、図１０に、その処理
におけるアナログスイッチ回路６０のＳｗ1〜Ｓｗ3の作
動タイミング図を、検出される酸素濃淡電池素子４の第
三電極１３側の電圧信号ＶSと対応付けて示している

【００７９】まず、Ｓ２０１において、図５のアナログ
スイッチ回路６０のＳｗ1をオンしたままの状態で、酸
素濃淡電池素子４の第三電極１３側の電圧信号ＶSを読
み込み、これを検出値ＶS1としてＲＡＭ５４の測定値メ
モリエリア５４ｂに格納する。この電圧信号ＶSは、オ
ペアンプ６１に入力される濃淡電池起電力Ｅmに対応す
る値となる。次いで、Ｓ２０２で、Ｓｗ1をオフとし、
代わってＳｗ2をオンとする。すると、通電経路は図９
に示す状態となり、酸素濃淡電池素子４に内部抵抗検出
用の定電流ＩCが通電される。そして、定電流ＩCの通電
開始から一定時間ｔ1だけ経過後に電圧信号ＶSを読み込
み、これを検出値ＶS2としてＲＡＭ５４の測定値メモリ
エリア５４ｂに格納する（Ｓ２０３，Ｓ２０４）。前述
の通りこのときの電圧信号ＶSは、酸素濃淡電池素子４
の内部抵抗を反映したものとなるが、ここには該濃淡電
池素子４の濃淡電池起電力Ｅmが重畳ないし含まれた形
になっている。そこで、ＶS2とＶS1との差をとることに
より、濃淡電池起電力Ｅm成分の影響を取り除くことが
できる（Ｓ２０９）。

【００８０】ここで、定電流ＩCの通電開始から一定時
間ｔ1だけ経過後にＶSを測定しているのは次の理由によ
る。すなわち、酸素濃淡電池素子４に定電流ＩCを通電
すると、酸素濃淡電池素子４内においてその通電と逆方
向（すなわち隙間１６側から１５側へ向かう方向）に酸
素が輸送され、酸素濃淡電池素子４両側の酸素濃度に変
化を生ずる。その結果、図１０に示すように、濃淡電池
起電力ＥmひいてはＶSの値も電流ＩCの通電継続に伴い
変化する。ここで、内部抵抗測定の精度を確保するため
には、通電により不可避的に生ずるＶSの変化を常にほ
ぼ一定のものとすることが大切である。そして、内部抵
抗測定用電流として一定の電流ＩCが使用されるわけで
あるから、ＶS測定までの通電時間が常にｔ1となるよう
に制御すれば、それによる酸素輸送量すなわち酸素濃淡
電池素子４両側の酸素濃度変化もほぼ一定となり、濃淡
電池起電力ＥmひいてはＶSの変化をほぼ一定とすること
ができる。なお、アナログスイッチ回路６０のスイッチ
ング速度が十分速く、通電経路切替え後の電流レベルの
安定化も十分速い場合には、定電流ＩCの通電開始直後
にＶSを測定するようにしてもよい。

【００８１】次に、定電流ＩCの通電により、酸素濃淡
電池素子４両側の酸素濃度変化が生ずることにより、別
の問題として、排気ガスセンサ１が炭化水素濃度の測定
に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分濃度
の測定精度に影響を及ぼす場合がある。また、酸素濃淡
電池素子４の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃淡電池
素子４内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電
に伴い分極を生ずることもある。この問題を解決するた
めに、本実施例では次のような方式を採用している。す
なわち、図１９のＳ２０５〜Ｓ２０８において、ＶSの
検出後さらに一定時間ｔ2が経過後にＳｗ2をオフとして
定電流ＩCの通電が終了する一方、代わってＳｗ3をオン
とすることにより、極性が逆の定電流電源７４（修正電
流通電手段）によりＩCとは逆方向で大きさが同じ修正
電流ＩAを、ＩCの合計通電時間ｔ1＋ｔ2にほぼ等しい時
間ｔ3だけ通電し、その後Ｓｗ3をオフとする。これによ
り、酸素濃淡電池素子４において上記とは逆向きにほぼ
同量の酸素が輸送され、ＩC通電により隙間１６側から
隙間１５側汲み込んだ酸素がいわば汲み戻される形とな
り、変化した酸素濃度が内部抵抗測定前の状態に近づけ
ることができる。なお、酸素濃淡電池素子４の内部抵抗
測定用の電流ＩCの通電時間を十分短くできる場合な
ど、酸素濃淡電池素子４両側の酸素濃度変化に及ぼす影
響が小さいと判断できる場合には、図２１に示すよう
に、修正電流ＩAを発生するための定電流電源７４を省
略することも可能である（なお、これに対応してアナロ
グスイッチ回路６０も、スイッチチャンネル数の少ない
ものを用いればよい）。

【００８２】図１９に戻り、修正電流ＩAの通電が終了
すれば、前述の通りＳ２０９でＶS2とＶS1との差ΔＶS
を算出し、そのΔＶSをＶSとみなすことで前述の(2)式
によりＲVSを算出する。以下、ＲVSから素子温度Ｔを決
定し、それに基づいてヒータ制御電圧値Ｖiを決定する
Ｓ２１０〜Ｓ２１５に至る処理は、図１８のセンサ活性
化処理のＳ１０７〜Ｓ１１２に至る処理とほぼ同一であ
るので、説明を省略する。その後、Ｓ２１６で時間ｔ4
だけ待機した後、Ｓ２１７でＳｗ1をオンとし、内部抵
抗測定処理は終了する。以降は、再び図１７の炭化水素
濃度の測定処理ルーチンの実行となる。素子温度Ｔの測
定値は該内部抵抗測定処理が行われる毎に更新され、常
にその更新された素子温度Ｔの情報が、図１７の炭化水
素濃度の測定処理ルーチンにおいても使用される。ま
た、ヒータ温度も、素子温度Ｔの測定値に基づいて定期
的に補正されることとなる。

【００８３】これにより、ヒータ２，５により酸素濃淡
電池素子４の温度が設定値に精度よく保持され、排気ガ
ス中の炭化物濃度の測定精度が向上する。また、図１２
に示すように、自動車エンジン等において急加減速を行
った場合に排気ガス温度が急激に変化し、これに対応し
て酸素濃淡電池素子４の温度Ｔが急激に変化した場合で
も、酸素ポンプ電流Ｉpの温度変化分を補正することに
より、素子温度Ｔの復帰を待たなくても、比較的精度の
高い炭化物濃度の測定を続行することが可能となる。

【００８４】なお、内部抵抗測定処理は、炭化水素濃度
の測定処理ルーチンに対する割り込みルーチンとするの
ではなく、該測定処理ルーチンのサブルーチンとして実
行させることもできる。この場合のフローチャートの例
を図２０に示す。Ｓ１〜Ｓ６の炭化水素濃度の決定・出
力処理は図１７と全く同じであるが、異なる点はＳ３０
１〜Ｓ３０３のステップを追加することにより、１回終
了する毎に測定カウンタＮmをカウントアップするよう
になっている点である。そして、Ｓ３０２でＮmが一定
のカウント数Ｎqに到達した場合に、Ｓ３０４として図
１９に示したものと全く同一の内部抵抗測定処理が実行
される。なお、内部抵抗測定処理実行後は、Ｓ３０１へ
戻って測定カウンタＮmが１に戻り、以下同様の処理が
繰り返される。この方法においては、内部抵抗測定処理
が定期的に行われる点では変わりはないが、必ずしも一
定の時間間隔ではなく、炭化水素濃度の測定処理が一定
回数終了する毎に実行される点に特徴がある。こうすれ
ば、炭化水素濃度の測定処理が内部抵抗測定処理のため
に中断されることがなくなり、エラー等の発生頻度も少
なくなる。

【００８５】また、図１５に示すように、内部抵抗ＲVS
の各種値と対応付けて、ヒータ通電回路７２に与えるべ
き制御電圧値Ｖiの値を記憶したマップ２０５を記憶し
てき、これを参照することにより、内部抵抗ＲVS（すな
わち素子温度Ｔ）の値に応じて、現在の電圧値とは無関
係に該制御電圧値Ｖiの値を決定するようにしてもよ
い。

【００８６】さらに、定電流発生回路を図５に示す７３
と７４との２台を用いる代わりに、図示しない極性切替
え回路を用いて１台のものを随時極性を切り替えて使用
するようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ５１
側から指令された電流値及び極性により、その内容に応
じた電流を発生できる回路を用いてもよい。その一例を
図２２に示している。すなわち、該構成では、定電流発
生回路７３，７４に代えて電圧・電流変換回路８９が用
いられている。

【００８７】この回路８９においては、マイクロプロセ
ッサ５１からの電流指示電圧ＶiがＤ／Ａ変換器（ダイ
ポーラ型のもの）９０を介してオペアンプ９１に入力さ
れるとともに、オペアンプ９１の出力側には電流検出用
の抵抗器９５が接続され、さらに該オペアンプ９１の出
力による抵抗器９５での電圧降下がボルテージホロワ９
２を介してフィードバックされるようになっている。こ
れにより、抵抗器９５での電圧降下すなわち電流値ＩO
は、接続される負荷に関係なく、入力電圧Ｖiに応じた
一定値に保持される。なお、図において抵抗器９３及び
９４の抵抗値をそれぞれＲf、Ｒkとし、抵抗器９５の抵
抗値をＲSとすれば、 ＩO＝（Ｖi×Ｒf）／（Ｒk×ＲS）‥‥‥(3) となる。この場合、所定の電流指示電圧Ｖiにより内部
抵抗測定用の電流ＩCを発生させるとともに、修正電流
は、電圧Ｖiとは逆極性の電流指示電圧Ｖi’を与えるこ
とにより、電流ＩCとは逆方向の電流として発生させる
こともできる。また、発生させるべき電流レベル及び通
電時間も、マイクロプロセッサ５１側からの電流指示電
圧値及びその出力時間を変更することにより、自由に設
定することができる。

【００８８】以下、本発明の装置に使用される排気ガス
センサについて、各種可能な変形態様を例示する。

【００８９】まず、酸素ポンプ素子３の外側電極側は、
排気ガス雰囲気から隔離して、ここに大気を導入するよ
うにしてもよい。また、酸素ポンプ素子３と酸素濃淡電
池素子４の各電極１０〜１３の材質の組合せは、酸素濃
淡電池素子４の両側で、被検出成分の酸化による消費量
に差が生ずるものであれば、図２３（ａ）に示す上述の
組合せ以外にも各種採用することができる。図２３
（ｂ）においては、酸素ポンプ素子３の外側電極１０を
酸化触媒活性の低いＡｕ多孔質電極で構成した例であ
る。また、（ｃ）及び（ｅ）は、隙間１５に面する第一
電極１１及び第二電極１２の一方をＡｕ多孔質電極で構
成した例である。また、（ｄ）は、第一電極１１及び第
二電極１２をいずれも酸化触媒活性の低いＡｕ多孔質電
極で構成し、第三電極１３を酸化触媒活性の高いＰｔ多
孔質電極で構成した例である。この場合、被検出成分の
消費量は隙間１６側において１５側よりも高くなり、酸
素ポンプ素子３は隙間１５から酸素を汲み出すように作
動することとなる。（ｆ）は、該構成で第一電極１１を
Ａｕ多孔質電極で置き換えた例である。

【００９０】一方、酸化触媒活性の低い電極は、図２４
（ａ）に示すように、Ｐｔ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｉｒ等、高活
性金属グループに属するもので多孔質電極の本体部１０
１を形成しておき、その排気ガスとの接触表面側に、触
媒不活性な材料（例えば、Ａｕ又はＡｇを主体とする金
属などの低活性金属グループに属するもの、あるいはＳ
ｎＯ₂、ＺｎＯ、Ｉｎ₂Ｏ₃、ＷＯ₃、Ｂｉ₂Ｏ₃等の酸化
物）によるコーティング１０２を施して最終的な電極と
してもよい。

【００９１】この場合、上記コーティング１０２は、例
えば図２４（ｂ）に示すように、上記触媒不活性な材料
粒子を含んだペーストを本体部１０１上に塗付して再焼
成する方法により形成したり、あるいは同図（ｃ）に示
すように、真空蒸着やスパッタリング等の気相製膜法に
より形成することができる。なお、上記図２４（ｂ）な
いし（ｃ）に示すように、多孔質に形成された本体部１
０１には、多数の空隙Ｐが入り組んで形成されているた
め、コーティング１０２がそのような空隙Ｐの内面奥深
くにまで必ずしも形成されない場合もありうるが、被検
出成分と酸素との反応に対する触媒活性を十分に小さく
できるのであれば、そのような未コーティング部が形成
されていても差し支えない。

【００９２】また、図２５に示すように、酸素ポンプ素
子３と酸素濃淡電池素子４との間に形成される隙間１５
には、金属メッシュ又は多孔質金属（例えばＰｔ製のも
の）で構成されたガス保持部材６０を介挿することがで
きる。なお、上記ガス保持部材６０を金属メッシュで構
成する場合、その網目の形成密度が１００〜５００メッ
シュのものを使用することが望ましい。

【００９３】

【実施例】本発明の測定装置に使用される排気ガスセン
サについて、下記の実験を行った。（実施例１） 実験１ Ｙ₂Ｏ₃粉末とＺｒＯ₂粉末とを含有するセラミックグリ
ーンシートを円板状に打抜き、その片面に、Ｐｄ（５２
重量％）−Ａｇ（４８重量％）からなる合金粉末ないし
Ａｕ粉末にＺｒＯ₂粉末を所定量配合したペースト（い
ずれも金属粉末の平均粒径１.０μｍ）により円形の電
極パターンを形成し、これを温度１４７０℃で焼成し
て、直径１２mm、厚さ１mmの、Ｙ₂Ｏ₃を５モル％含有す
るＺｒＯ₂焼結体からなる固体電解質の円板上に、直径
８mmの円板状のＰｄ多孔質電極ないしＡｕ多孔質電極を
形成した試料をそれぞれ作製した。次に、図２６（ａ）
に示すように、ガスの入口１１１と出口１１２とを有し
た筒状体１１３内に各試料１１４を配置するとともに、
これを電気炉１１５により６７５〜８５０℃の各種温度
に保持した。そして、その状態で酸素３００ｐｐｍと、
被検出成分としてのメタン３５０ｐｐｍと、水蒸気３％
とを含有して残部がアルゴンからなる試験ガスを、入口
１１１から流速１００ｍｌ／分で導入し、これを出口１
１２から排出させたときの、排出後の試験ガス中のメタ
ン濃度Ｃｓ（単位：ｐｐｍ）を測定して、 η＝｛（３５０−Ｃｓ）／３５０｝×１００（単位：
％） により定義されるメタン転換率ηを各温度にて求めた。
図２７（ａ）に、メタン転換率ηの各温度毎の測定結果
を示す。すなわち、Ａｕ多孔質電極を用いた試料は転換
率ηがおおむね１０％以下の低い値を示しているのに対
し、Ｐｄ多孔質電極を用いた試料はηが温度の上昇とと
もに増大し、７００℃で両試料のηの差は約２０％、７
５０℃以上では３０〜４０％に達していることがわか
る。

【００９４】実験２ 次に、実験１と同一の材質及び寸法の固体電解質板の両
面に、外側電極及び第一電極として直径８mmの円板状の
Ａｕ多孔質電極を、実験１と同一の条件にて形成して酸
素ポンプ素子を作製した。また、同様の固体電解質円板
の一方の面に第二電極として直径８mmのＰｄ多孔質電極
を、また他方の面に第三電極として直径３mmのＡｕ多孔
質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製した。そして
両素子を、第一電極と第二電極とが対向するように、間
に１００〜５００メッシュのＰｔメッシュあるいはＡｕ
メッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製した。

【００９５】そして、図２６（ｂ）に示す回路に各素子
（すなわち、酸素ポンプ素子３及び酸素濃淡電池素子
４）を接続し、同図（ａ）に示す装置を用いて、Ｐｄ多
孔質電極とＡｕ多孔質電極との間で実験１で測定したη
の差が最も大きくなる温度である７５０℃にこれを加熱
した。

【００９６】図２６（ｂ）の回路２００においては、上
記排気ガスセンサ１の酸素濃淡電池素子４の第二電極１
２と第三電極１３とが、それぞれ非反転増幅器２０（ポ
ンプ素子電圧調整手段、起電力検出手段）のマイナス端
子（接地端子）とプラス端子にそれぞれ接続される。こ
れにより、該素子４で生ずる濃淡電池起電力は、非反転
増幅器２０の接地側に接続された抵抗器２２の電気抵抗
値をＲ50、同じく負帰還接続された抵抗器２１の電気抵
抗値をＲ51として、ゲインＲ51／Ｒ50で増幅される。

【００９７】一方、非反転増幅器２０の出力側は酸素ポ
ンプ素子３の第一電極１１に接続されており、上記増幅
された濃淡電池起電力が酸素ポンプ素子３に印加され
る。ここで、酸素濃度は隙間１６側で高くなるので、酸
素濃淡電池素子４には第三電極１３側を正とする濃淡電
池起電力が生ずる。そして、その濃淡電池起電力は、非
反転増幅器２０により極性反転せずに増幅され、酸素ポ
ンプ素子３の第一電極１１に印加される。これにより、
酸素ポンプ素子３には第一電極１１側を正としてポンプ
電流が流れることとなり、図中矢印で示すように、隙間
１４内の酸素が隙間１５側へ汲み込まれる。このポンプ
電流は、反転増幅器２３（出力手段）の出力電圧によ
り、これが排気ガスＥＧ中のメタン濃度を反映したセン
サ出力として取り出されることとなる。また、本実施例
では、該反転増幅器２３の出力は、ゲイン１の反転増幅
器２４（Ｒ4＝Ｒ5）により極性反転されるようになって
いる。

【００９８】上述のように回路接続した状態で、５０〜
７００ｐｐｍの各種濃度の被検出成分としてのメタン
と、３００ｐｐｍの酸素と、３体積％の水蒸気と、残部
アルゴンからなる試験ガスを１００ｍｌ／分の流速で流
通し、平衡時の酸素濃淡電池素子の起電力ＥＭＦを測定
するとともに、その起電力ＥＭＦが起電力目標値ＥCに
なるように酸素ポンプ素子を作動させ、そのポンプ電流
Ｉpを測定した。

【００９９】その結果、図２８に示すように、ポンプ電
流Ｉp（図中「●」で示す）は、試験ガス中のメタン濃
度に対してほぼ直線的に増大し、該Ｉpからメタン濃度
を検出できることがわかった。また、図２７（ｂ）に示
すように、メタン濃度を３００ｐｐｍに固定して、セン
サ温度を６５０〜８５０℃で変化させて測定を行ったと
ころ、センサ出力は前述のηの差が最も大きくなる７５
０℃近傍で最大値を示しており、ηの差がなるべく大き
くなる温度でセンサを作動させることが、センサ感度を
向上させる上で有効であることもわかった。なお、参考
のため、酸素ポンプ素子を作動させなかった場合の、酸
素濃淡電池素子の起電力を、各メタン濃度について測定
した（図中「○」で示す）。その結果、試験ガス中の酸
素濃度に対してほぼ理論空燃比をなすメタン含有量（約
２００ｐｐｍ）の近傍で起電力は急増していることがわ
かった。このことは、上記組成以上の領域では、メタン
に対する酸化触媒活性が大きいＰｄで構成された第二電
極側（すなわち隙間側）でメタンのほぼ全量が酸化によ
り消費され、逆に酸化触媒活性の低いＡｕで構成された
第三電極側（すなわち反対空間側）ではメタンがあまり
消費されないために、酸素濃淡電池素子の両側で大きな
酸素濃度差が生じたことを意味するものである。なお、
酸素濃淡電池素子として、第二電極と第三電極とをいず
れもＡｕ多孔質電極としたもの、及びいずれもＰｄ多孔
質電極としたものを作製し、これを用いて同様の実験を
行ったところ、図２９に示すように、これら試料ではメ
タン濃度によらず起電力はほとんど生じなかった。

【０１００】また、試験ガス中に、水蒸気（７．５
％）、炭酸ガス（１０．０％）、一酸化窒素（２８４ｐ
ｐｍ）、一酸化炭素（３００ｐｐｍ）のいずれかを妨害
ガスとして混在させたときの、ポンプ電流Ｉpのメタン
濃度依存性に及ぼす影響についても調べた。図３０に結
果を示す通り、Ｉpのメタン濃度依存性は妨害ガスの影
響をほとんど受けず、メタン検出に対する選択性が良好
であることがわかる。

【０１０１】次に、試験ガス中のメタン濃度を３５０ｐ
ｐｍに固定し、酸素濃度を１００〜８００ｐｐｍの範囲
で各種変化させて同様の実験を行った結果を図３１に示
す。すなわち、ポンプ電流Ｉpは試験ガス中の酸素濃度
によらずほぼ一定の値を示しており、センサ出力として
のＩpに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいこ
とがわかる。

【０１０２】（実施例２）実施例１の実験１と同一の材
質及び寸法の固体電解質板の両面に、外側電極及び第一
電極として直径８mmの円板状のＡｕ多孔質電極を、実験
１と同一の条件にて形成して酸素ポンプ素子を作製し
た。また、同様の固体電解質円板の一方の面に第二電極
として直径８mmのＰｄないしＡｕの多孔質電極（Ａｕは
比較例）を、また他方の面に第三電極として直径３mmの
Ａｕ多孔質電極を形成して酸素濃淡電池素子を作製し
た。そして両素子を、第一電極と第二電極とが対向する
ように、間に１００〜５００メッシュのＰｔメッシュあ
るいはＡｕメッシュを挟んで重ね合わせてセンサを作製
した。

【０１０３】そして、図２６（ｂ）に示すものと同様の
回路に各素子（すなわち、酸素ポンプ素子３及び酸素濃
淡電池素子４）を接続し、同図（ａ）に示す装置を用い
て、８５０〜９００℃に加熱しながら、０．３〜０．８
体積％の各種濃度の被検出成分としてのメタンと、０．
５体積％の酸素と、５体積％の水蒸気と、残部アルゴン
からなる試験ガスを該炉内に１００ｍｌ／分の流速で流
通し、平衡時の酸素濃淡電池素子の起電力ＥＭＦを測定
するとともに、その起電力ＥＭＦが起電力目標値ＥCに
なるように酸素ポンプ素子を作動させ、ポンプ電流Ｉp
を測定した。また、ポンプ電流Ｉpは、図３２に示すよ
うに、試験ガス中のメタン濃度に対してほぼ直線的に増
大し、該Ｉpからメタン濃度を検出できることがわかっ
た。

【０１０４】また、試験ガス中のメタン濃度を０．５％
に固定し、酸素濃度を０．３〜０．８体積％の範囲で各
種変化させて同様の実験を行った結果を図３３に示す。
すなわち、ポンプ電流Ｉpは試験ガス中の酸素濃度によ
らずほぼ一定の値を示しており、センサ出力としてのＩ
pに対する試験ガス中の酸素濃度の影響が小さいことが
わかる。

【０１０５】また、酸素濃淡電池素子を酸素ポンプ素子
に対して上記とは反転させた状態、すなわちＡｕ多孔質
電極が第二電極となり、Ｐｄ多孔質電極が第三電極とな
るように配置した状態で、メタン濃度を各種変化させた
試験ガスを用いて同様の実験を行った結果を図３４に示
す。この場合は、酸素濃淡電池素子を反転させない図３
２の結果と比較して、Ｉpのメタン濃度に対する変化率
（勾配）が大きくなっており、センサの感度が向上して
いることがわかる。

【０１０６】（実施例３）図２及び図３に示す排気ガス
センサ１において、外側電極１０、第一電極１１及び第
二電極１２をＰｔ多孔質電極により、第三電極１３をＡ
ｕ多孔質電極により形成したものを作製した。ただし、
各素子２〜５に使用した固体電解質は上記実施例１及び
２と同じものを使用し、その寸法は４mm×４５mm×０．
４mmとした。また、隙間１４の大きさは０．０６mm、隙
間１５の大きさは０．１５mm、隙間１６の大きさは０．
０７mmとした。該センサ１を酸素を５０〜２５００００
ｐｐｍ、水蒸気１０％、炭酸ガス１０％、残部窒素から
なる試験ガス中に保持して素子３及び４が８００℃にな
るようにヒータ２，５により加熱した。なお、この時の
ヒータの温度は９００℃であった。その状態で、酸素ポ
ンプ素子３に通電しない場合の酸素濃淡電池素子４に生
ずる起電力（オフセット起電力）ＥOSを各酸素濃度毎に
測定した。結果を図３５に示す。すなわち、オフセット
起電力ＥOSは酸素濃度が１００００ｐｐｍ（１体積％）
未満では急増しているのに対し、１００００ｐｐｍ以
上、特に１０００００ｐｐｍ以上ではほぼ１〜１．５ｍ
Ｖの範囲（大気中で１.２２ｍＶ）で安定化しているこ
とがわかる。

【０１０７】次に、上記センサ１を排気管に取り付け、
設定センサ作動温度８００℃、起電力目標値ＥCを−５
〜８．３ｍＶの各種値として酸素ポンプ素子３を作動さ
せ、ここに酸素１００〜１０００ｐｐｍ、水蒸気１０
％、炭酸ガス１０％、メタン０又は３００ｐｐｍ、残部
窒素からなる試験ガス（温度３００℃）を１２Ｌ／分の
流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定
した。結果を、各起電力目標値ＥCに対応するセンサ出
力の酸素濃度依存性の形で図３６及び３７に示す。いず
れのメタン濃度においても、ＥC＝１．２２ｍＶ（大気
中でのＥOSに相当）、−１.８ｍＶ、０ｍＶ、３.７ｍＶ
及び４.２ｍＶ（ＥOS±５ｍＶの範囲内）については、
センサ出力の酸素濃度依存性は小さくなっているのに対
し、（ＥOS−５）ｍＶ以上（ＥOS＋５）ｍＶ以下の範囲
から外れるＥC＝−５ｍＶ、５．１ｍＶ及び８.３ｍＶで
は、センサ出力の酸素濃度依存性が大きくなっているこ
とがわかる。

【０１０８】（実施例４）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、残部窒
素からなる試験ガスを４〜２０Ｌ／分の各種流速で流通
して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定した。結果
を、各流速に対応するセンサ出力のメタン濃度依存性の
形で図３８に示す。すなわち、上記本発明のセンサ１は
メタン濃度に対して直線的な出力を示し、ガス流速の影
響も小さいことがわかる。

【０１０９】（実施例５）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１００〜１００
０ｐｐｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、
残部窒素からなる試験ガスを１２Ｌ／分の流速で流通し
て、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測定した。結果
を、各酸素濃度に対応するセンサ出力の、メタン濃度依
存性の形で図３９に示す。すなわち、上記本発明のセン
サ１はメタン濃度に対して直線的な出力を示し、酸素濃
度の影響も小さいことがわかる。

【０１１０】（実施例６）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、水蒸気
０又は１０％、残部窒素からなる試験ガスを１２Ｌ／分
の流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（センサ出力）を測
定した。結果を、各水蒸気量に対応するセンサ出力の、
メタン濃度依存性の形で図４０に示す。すなわち、上記
本発明のセンサ１はメタン濃度に対して直線的な出力を
示し、またガスを１０％加湿してもその影響は小さいこ
とがわかる。

【０１１１】（実施例７）実施例３と同一の排気ガスセ
ンサ１を排気管に取り付け、ここに酸素１０００ｐｐ
ｍ、炭酸ガス１０％、メタン０〜５００ｐｐｍ、水蒸気
０又は１０％、残部主に窒素からなり、さらに一酸化窒
素（２７０ｐｐｍ）、一酸化炭素（２７０ｐｐｍ）、プ
ロピレン（２７０ｐｐｍＣ（ｐｐｍＣは炭素換算濃度を
示す））のいずれかを妨害ガスとして混在させた試験ガ
スを１２Ｌ／分の流速で流通して、ポンプ電流Ｉp（セ
ンサ出力）を測定した。結果を、各妨害ガス成分毎のセ
ンサ出力のメタン濃度依存性の形で図４１に示す。すな
わち、上記本発明のセンサ１はメタン濃度に対して直線
的な出力を示し、また妨害ガスの影響は小く、メタンに
対して優れた選択性を示していることがわかる。

【０１１２】次に、本発明の測定装置の性能を確認する
ために以下の実験を行った。 （実施例８）実施例３と同様の排気ガスセンサを使用
し、これを図５に示す測定装置５０に組み込んだ。な
お、上記排気ガスセンサの酸素濃淡電池素子のオフセッ
ト起電力は＋１．２ｍＶであり、起電力目標値ＥCは＋
１．２ｍＶに設定した。また、ヒータ２，５による酸素
濃淡電池素子の温度設定を７５０℃とした。この状態で
センサを排気管に取り付け、ここに酸素１００ｐｐｍ、
炭酸ガス１０％、メタン３００ｐｐｍ、残部窒素からな
る試験ガスを所定の加熱装置で温度６５０℃〜８３０℃
に加熱して１２Ｌ／分の流速で流通し、排気ガスセンサ
の出力をポンプ電流Ｉpの形で測定した。まず、酸素濃
淡電池素子の温度を、その内部起電力の値からモニタし
たところ、排気ガス温度が変化しても、素子温度は７５
０±２０℃の範囲で制御できた。一方、比較のために、
ヒータ２，３への通電電圧を一定として特に制御を行わ
なかった場合は、温度は７５０±５０℃とばらついた。
また、図１３は、ポンプ電流Ｉpの出力値を示してい
る。温度制御を行った場合（図中「●」で示す）は排気
ガス温度によらずＩpの出力値はほぼ一定となっている
が、温度制御を行わなかった場合（図中「○」で示す）
は、排気ガス温度によってＩpが大きく変動しているこ
とがわかる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の測定装置に使用される排気ガスセンサ
の一例の要部を示す分解斜視図。

【図２】その詳細な構造を示す説明図。

【図３】その組立構造の一例を示す説明図。

【図４】上記センサの作動説明図。

【図５】上記センサを用いた本発明の測定装置の一例の
電気的構成を示すブロック図。

【図６】その炭化水素濃度測定モードにおける回路作動
系統を示すブロック図。

【図７】ヒータ通電回路のいくつかの例を示すブロック
図。

【図８】ヒータのＰＷＭ制御の説明図。

【図９】酸素濃淡電池素子の内部抵抗測定時の回路作動
系統を示すブロック図。

【図１０】酸素濃淡電池素子の内部抵抗測定時の各スイ
ッチの作動タイミング図。

【図１１】素子温度と酸素濃淡電池素子の内部抵抗との
関係の一例を示すグラフ、及び酸素濃淡電池素子の内部
抵抗と素子温度の関係を示すマップの概念図。

【図１２】エンジン急加速あるいは急減速に伴うポンプ
電流変化の測定例を示すプロファイル、素子温度と補正
ポンプ電流値との関係の一例を示すグラフ、及び素子温
度と補正ポンプ電流値との関係を示すマップの概念図。

【図１３】実施例８の測定結果を示すグラフ。

【図１４】ポンプ電流値とＨＣ濃度との関係を示すマッ
プの概念図。

【図１５】酸素濃淡電池素子の内部抵抗値と補正ポンプ
電流値との関係を示すマップの概念図、及び素子温度と
ポンプ電流値とＨＣ濃度との関係を示す二次元マップの
概念図。

【図１６】酸素濃淡電池素子の内部抵抗値とヒータ制御
電圧との関係を示すマップの概念図。

【図１７】図５の装置におけるマイクロプロセッサ側の
制御の流れを示すフローチャート。

【図１８】そのセンサ活性化処理の詳細を示すフローチ
ャート。

【図１９】同じく内部抵抗測定処理の詳細を示すフロー
チャート。

【図２０】図５の装置におけるマイクロプロセッサ側の
別の制御態様の流れを示すフローチャート。

【図２１】図５の装置において、修正電流通電用の電源
を省略した場合のブロック図。

【図２２】図５の装置において、内部抵抗測定用及び修
正電流通電用の定電流電源を、電圧−電流変換回路に置
き換えた例を示すブロック図。

【図２３】排気ガスセンサの電極構成のいくつかの変形
例を示す模式図。

【図２４】コーティングにより触媒不活性な電極を作成
する方法の説明図。

【図２５】酸素ポンプ素子と酸素濃淡電池素子との間に
ガス保持部材を介挿した例を示す模式図。

【図２６】実施例１で使用した実験装置を示す模式図。

【図２７】実施例１における、Ｐｄ多孔質電極とＡｕ多
孔質電極とのメタンの転換率ηの温度依存性を示すグラ
フ、及びそれら電極を用いた排気ガスセンサの出力の温
度依存性を示すグラフ。

【図２８】実施例１の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。

【図２９】その酸素濃淡電池素子の起電力のメタン濃度
依存性を、各種電極の組合せ毎に示すグラフ。

【図３０】実施例１の排気ガスセンサの出力に及ぼす妨
害ガスの影響を示すグラフ。

【図３１】実施例１の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。

【図３２】実施例２の排気ガスセンサの出力のメタン濃
度依存性を示すグラフ。

【図３３】実施例２の排気ガスセンサの出力に及ぼす酸
素濃度の影響を示すグラフ。

【図３４】実施例２の変形例の排気ガスセンサにおけ
る、出力のメタン濃度依存性を示すグラフ。

【図３５】実施例３の排気ガスセンサにおける、酸素濃
淡電池素子のオフセット起電力の酸素濃度依存性を示す
グラフ。

【図３６】実施例３の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ（メタン濃度０ｐｐｍ）。

【図３７】実施例３の排気ガスセンサにおいて、起電力
目標値を各種値に設定したときのセンサ出力の酸素濃度
依存性を示すグラフ（メタン濃度３００ｐｐｍ）。

【図３８】実施例４の実験結果を示すグラフ。

【図３９】実施例５の実験結果を示すグラフ。

【図４０】実施例６の実験結果を示すグラフ。

【図４１】実施例７の実験結果を示すグラフ。

【符号の説明】

１ 排気ガスセンサ ２ 第一のヒータ（加熱素子） ３ 酸素ポンプ素子 ４ 酸素濃淡電池素子 ５ 第二のヒータ（加熱素子、隙間形成部材） １１ 第一電極 １２ 第二電極 １３ 第三電極 １５ 隙間 １６ 隙間（反対空間） ５０ 排気ガス中の被検出成分濃度測定装置 ５０ａ 周辺回路 ５１ マイクロプロセッサ ５３ ＣＰＵ（被検出成分濃度情報補正手段、通電制御
手段、ポンプ電流補正量決定手段、補正演算手段、補正
濃度情報生成手段、内部抵抗測定手段、温度情報生成手
段、濃淡電池起電力測定手段、電圧情報補正手段） ５５ ＲＯＭ（補正参照情報記憶手段） ５５ａ 補正参照情報 ２０２ マップ（温度偏差−ポンプ電流補正量関係情
報） ２０２ｂ マップ（ポンプ電流情報−被検出成分濃度関
係情報） ６１ オペアンプ（ポンプ電流制御手段） ７４ 定電流電源（修正電流通電手段）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 夫馬 智弘 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内 (72)発明者 大島 崇文 愛知県名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日 本特殊陶業株式会社内

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 排気ガスセンサとして、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成され、その両面
   に酸素透過性を有する電極が形成された酸素濃淡電池素
   子と、 酸素イオン伝導性固体電解質により構成されて両面に酸
   素透過性を有する電極が形成され、かつ前記酸素濃淡電
   池素子との間に排気ガスの流通が許容された所定量の隙
   間が形成されるように、該酸素濃淡電池素子に対向配置
   されるとともに、該酸素濃淡電池素子に生ずる濃淡電池
   起電力の絶対値が減少する方向に、前記隙間に酸素を汲
   み込み又は該隙間から酸素を汲み出す酸素ポンプ素子
   と、 前記酸素ポンプ素子と前記酸素濃淡電池素子とを所定の
   センサ作動温度に加熱する加熱素子とを備えるととも
   に、 前記隙間と、前記酸素濃淡電池素子を挟んでこれと反対
   側の空間（以下、反対空間という）とに、それぞれ被検
   出成分と酸素とを含有する排気ガスが導入され、 ま
   た、前記酸素ポンプ素子の前記隙間側の電極を第一電
   極、前記酸素濃淡電池素子の前記隙間側の電極を第二電
   極、前記酸素濃淡電池の前記反対空間側の電極を第三電
   極として、前記隙間と前記反対空間とに導入された前記
   排気ガス中の前記被検出成分は、少なくともそれら隙間
   と前記反対空間との一方において、前記第一〜第三電極
   の少なくともいずれかを酸化触媒として前記排気ガス中
   の酸素と反応することにより消費されるとともに、前記
   隙間と前記反対空間との間で酸素との反応による前記被
   検出成分の消費量に差が生じるように、それら第一〜第
   三電極の酸化触媒活性が調整されたものが使用され、 少なくとも前記酸素濃淡電池素子の温度が予め定められ
   た温度目標値に近づくように、前記加熱素子の発熱を制
   御するとともに、 前記酸素濃淡電池素子の前記濃淡電池起電力の絶対値が
   １０ｍＶ以下に設定された起電力目標値ＥCに到達した
   ときの、前記酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値の情
   報又は該ポンプ電流値を反映した情報（以下、これらを
   総称してポンプ電流情報という）に基づいて、前記排気
   ガス中の前記被検出成分の濃度を測定することを特徴と
   する排気ガス中の被検出成分濃度の測定方法。
2. 【請求項２】 前記酸素濃淡電池素子の温度を所定の検
   出手段により検出し、その検出された温度の情報に基づ
   いて、前記ポンプ電流情報を補正することによりこれを
   温度補償する請求項１記載の排気ガス中の被検出成分濃
   度の測定方法。
3. 【請求項３】 前記酸素濃淡電池素子の温度を、該濃淡
   電池素子の内部抵抗の値に基づいて検出する請求項２記
   載の排気ガス中の被検出成分濃度の測定方法。
4. 【請求項４】 酸素イオン伝導性固体電解質により構成
   され、その両面に酸素透過性を有する電極が形成された
   酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質によ
   り構成されて両面に酸素透過性を有する電極が形成さ
   れ、かつ前記酸素濃淡電池素子との間に排気ガスの流通
   が許容された所定量の隙間が形成されるように、該酸素
   濃淡電池素子に対向配置されるとともに、該酸素濃淡電
   池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
   に、前記隙間に酸素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲
   み出す酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子と前記酸
   素濃淡電池素子とを所定のセンサ作動温度に加熱する加
   熱素子とを備えるとともに、前記隙間と、前記酸素濃淡
   電池素子を挟んでこれと反対側の空間（以下、反対空間
   という）とに、それぞれ被検出成分と酸素とを含有する
   排気ガスが導入され、また、前記酸素ポンプ素子の前記
   隙間側の電極を第一電極、前記酸素濃淡電池素子の前記
   隙間側の電極を第二電極、前記酸素濃淡電池の前記反対
   空間側の電極を第三電極として、前記隙間と前記反対空
   間とに導入された前記排気ガス中の前記被検出成分は、
   少なくともそれら隙間と前記反対空間との一方におい
   て、前記第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触
   媒として前記排気ガス中の酸素と反応することにより消
   費されるとともに、前記隙間と前記反対空間との間で酸
   素との反応による前記被検出成分の消費量に差が生じる
   ように、それら第一〜第三電極の酸化触媒活性が調整さ
   れた排気ガスセンサと、 前記濃淡電池素子に発生する濃淡電池起電力を検出する
   起電力検出手段と、 その検出された濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
   において、該酸素ポンプ素子と前記濃淡電池素子との間
   の前記隙間に酸素を汲み込み、又は該隙間から酸素が汲
   み出されるように、前記酸素ポンプ素子に印加される電
   圧を調整するポンプ素子電圧調整手段と、 前記酸素濃淡電池素子の温度が予め定められた温度目標
   値に近づくように、前記加熱素子の発熱を制御する発熱
   制御手段とを備え、 前記酸素濃淡電池素子の前記濃淡電池起電力の絶対値
   が、１０ｍＶ以下に設定された起電力目標値ＥCに到達
   したときの、前記酸素ポンプ素子に流れるポンプ電流値
   の情報又は該ポンプ電流値を反映した情報（以下、これ
   らの情報を総称してポンプ電流情報という）に基づい
   て、前記排気ガス中の前記被検出成分の濃度を測定する
   ことを特徴とする排気ガス中の被検出成分濃度の測定装
   置。
5. 【請求項５】 酸素イオン伝導性固体電解質により構成
   され、その両面に酸素透過性を有する電極が形成された
   酸素濃淡電池素子と、酸素イオン伝導性固体電解質によ
   り構成されて両面に酸素透過性を有する電極が形成さ
   れ、かつ前記酸素濃淡電池素子との間に排気ガスの流通
   が許容された所定量の隙間が形成されるように、該酸素
   濃淡電池素子に対向配置されるとともに、該酸素濃淡電
   池素子に生ずる濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
   に、前記隙間に酸素を汲み込み又は該隙間から酸素を汲
   み出す酸素ポンプ素子と、前記酸素ポンプ素子と前記酸
   素濃淡電池素子とを所定のセンサ作動温度に加熱する加
   熱素子とを備えるとともに、前記隙間と、前記酸素濃淡
   電池素子を挟んでこれと反対側の空間（以下、反対空間
   という）とに、それぞれ被検出成分と酸素とを含有する
   排気ガスが導入され、また、前記酸素ポンプ素子の前記
   隙間側の電極を第一電極、前記酸素濃淡電池素子の前記
   隙間側の電極を第二電極、前記酸素濃淡電池の前記反対
   空間側の電極を第三電極として、前記隙間と前記反対空
   間とに導入された前記排気ガス中の前記被検出成分は、
   少なくともそれら隙間と前記反対空間との一方におい
   て、前記第一〜第三電極の少なくともいずれかを酸化触
   媒として前記排気ガス中の酸素と反応することにより消
   費されるとともに、前記隙間と前記反対空間との間で酸
   素との反応による前記被検出成分の消費量に差が生じる
   ように、それら第一〜第三電極の酸化触媒活性が調整さ
   れた排気ガスセンサと、 前記濃淡電池素子に発生する濃淡電池起電力を検出する
   起電力検出手段と、 その検出された濃淡電池起電力の絶対値が減少する方向
   において、該酸素ポンプ素子と前記濃淡電池素子との間
   の前記隙間に酸素を汲み込み、又は該隙間から酸素が汲
   み出されるように、前記酸素ポンプ素子に印加される電
   圧を調整するポンプ素子電圧調整手段と、 前記酸素濃淡電池素子の温度が予め定められた温度目標
   値に近づくように、前記加熱素子の発熱を制御する発熱
   制御手段とを備え、 酸素を１体積％以上含有し、かつ前記センサ作動温度に
   おいて酸素と反応する成分を実質的に含有しない試験ガ
   スを前記隙間及び反対空間に導入したときの、前記酸素
   濃淡電池素子に生ずるオフセット起電力の絶対値をＥOS
   （単位：ｍＶ）とし、これに対応して起電力目標値ＥC
   が（ＥOS−５．０）ｍＶ以上（ＥOS＋５．０）ｍＶ以下
   の範囲内で設定されるとともに、前記酸素濃淡電池素子
   の前記濃淡電池起電力の絶対値が、前記起電力目標値Ｅ
   Cに到達したときの、前記酸素ポンプ素子に流れるポン
   プ電流値の情報又は該ポンプ電流値を反映した情報（以
   下、これらの情報を総称してポンプ電流情報という）に
   基づいて、前記排気ガス中の前記被検出成分の濃度を測
   定することを特徴とする排気ガス中の被検出成分濃度の
   測定装置。
6. 【請求項６】 前記発熱制御手段は、 前記酸素濃淡電池素子の温度を検出する温度検出手段
   と、 該温度検出手段の温度検出結果に基づいて、前記酸素濃
   淡電池素子の温度が前記温度目標値に近づくように、前
   記発熱素子の通電を制御する通電制御手段とを備える請
   求項４又は５に記載の排気ガス中の被検出成分濃度の測
   定装置。
7. 【請求項７】 前記温度検出手段が検出する温度の情報
   と前記ポンプ電流情報とに基づいて、温度補償された被
   検出成分濃度情報を生成する被検出成分濃度情報補正手
   段と、 その生成された被検出成分濃度情報を補正測定結果とし
   て出力する補正測定結果出力手段とを備える請求項４な
   いし６のいずれかに記載の排気ガス中の被検出成分濃度
   の測定装置。
8. 【請求項８】 前記被検出成分濃度情報補正手段は、 前記温度目標値からの温度偏差と、前記ポンプ電流情報
   に対する補正量（以下、ポンプ電流補正量という）との
   関係を与える温度偏差−ポンプ電流補正量関係情報を補
   正参照情報として記憶する補正参照情報記憶手段と、 前記温度検出手段が検出する温度と前記温度目標値との
   差に対応するポンプ電流補正量を、前記補正参照情報を
   参照して決定するポンプ電流補正量決定手段と、 その
   決定されたポンプ電流補正量に基づいて、測定された前
   記ポンプ電流情報の測定結果を補正する演算を行う補正
   演算手段とを備える請求項７記載の排気ガス中の被検出
   成分濃度の測定装置。
9. 【請求項９】 前記被検出成分濃度情報補正手段は、 前記ポンプ電流値と前記被検出成分濃度値との関係を、
   各種温度毎に示すポンプ電流情報−被検出成分濃度関係
   情報を補正参照情報として記憶する補正参照情報記憶手
   段と、 前記温度検出手段が検出する温度の情報と測定された前
   記ポンプ電流情報とに基づいて、前記補正参照情報を参
   照することにより、当該温度とポンプ電流値に対応する
   被検出成分濃度値を、温度補償された被検出成分濃度情
   報として生成する補正濃度情報生成手段とを備える請求
   項７記載の排気ガス中の被検出成分濃度の測定装置。
10. 【請求項１０】 前記温度検出手段は、 前記酸素濃淡電池素子の内部抵抗を測定する内部抵抗測
    定手段と、 その測定された内部抵抗値に基づいて前記酸素濃淡電池
    素子の温度の情報を生成する温度情報生成手段と、 その生成された温度の情報を出力する温度情報出力手段
    とを備える請求項６ないし９のいずれかに記載の排気ガ
    ス中の被検出成分濃度の測定装置。
11. 【請求項１１】 前記内部抵抗測定手段は、 前記酸素濃淡電池素子に対し一定の内部抵抗検出電流を
    通電する内部抵抗検出電流通電手段と、 該内部抵抗検出電流を通電したときに前記酸素濃淡電池
    素子に印加される電圧を反映した情報（以下、電圧情報
    という）を検出する電圧情報検出手段とを備え、 その
    検出された電圧情報に基づいて前記酸素濃淡電池素子の
    内部抵抗値を測定するものである請求項１０記載の排気
    ガス中の被検出成分濃度の測定装置。
12. 【請求項１２】 前記内部抵抗測定手段は、検出された
    前記電圧情報において、これに含まれる又は重畳されて
    いる前記酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力の成分を除
    去ないし低減するために、 前記酸素濃淡電池素子に前記内部抵抗検出電流を通じな
    い状態で、該酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電力を測定
    する濃淡電池起電力測定手段と、 該測定された濃淡電池起電力の情報に基づいて、検出さ
    れた前記電圧情報を補正する電圧情報補正手段と、 を備える請求項１１記載の排気ガス中の被検出成分濃度
    の測定装置。
13. 【請求項１３】 前記酸素濃淡電池素子に対し前記内部
    抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該
    酸素濃淡電池素子に対し、前記内部抵抗検出電流とは逆
    方向の修正電流を通電する修正電流通電手段を備える請
    求項１２記載の排気ガス中の被検出成分濃度の測定装
    置。
14. 【請求項１４】 前記酸素濃淡電池素子の濃淡電池起電
    力を所定の制御基準値と比較し、該濃淡電池起電力と前
    記起電力目標値ＥCとの差に応じたポンプ電流を前記酸
    素ポンプ素子に向けて出力するポンプ電流制御手段が設
    けられ、 前記内部抵抗測定手段は、前記ポンプ電流制御手段によ
    る前記酸素ポンプ素子へのポンプ電流の出力を、予め定
    められたタイミングで遮断するポンプ電流遮断手段を備
    えるとともに、前記内部抵抗検出電流通電手段は、前記
    ポンプ電流の出力が遮断された状態で前記酸素濃淡電池
    素子に対し前記内部抵抗検出電流を通電するものである
    請求項１１ないし１３のいずれかに記載の排気ガス中の
    被検出成分濃度の測定装置。
15. 【請求項１５】 前記内部抵抗測定手段において前記ポ
    ンプ電流遮断手段は、前記ポンプ電流制御手段によるポ
    ンプ電流の出力を所定の時間間隔で周期的に遮断するも
    のとされ、それによって該内部抵抗測定手段は、該周期
    的なポンプ電流出力の遮断に対応して前記酸素濃淡電池
    素子の内部抵抗を周期的に測定するものである請求項１
    ４記載の排気ガス中の被検出成分濃度の測定装置。