ガスセンサ
【課題】フィードバック制御により駆動されるガスセンサにおいて、フィードバック制御の発振を抑制する技術を提供する。
【解決手段】ガスセンサ１００は、酸素ポンプセル１３５と、酸素濃度検知セル１５０とが、スペーサ１４５を挟んで互いに積層配置されている。スペーサ１４５には、各セル１３５，１５０の電極１３７，１５２と面するガス検出室１４５ｃが形成されている。酸素濃度検知セル１５０は、ガス検出室１４５ｃの酸素濃度に応じた出力電圧を生じる。酸素ポンプセル１３５は、酸素濃度検知セル１５０に生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、ガス検出室１４５ｃ内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う。酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間には、それらを接続するリーク部が、ジルコニアを主成分として形成されている。
【解決手段】ガスセンサ１００は、酸素ポンプセル１３５と、酸素濃度検知セル１５０とが、スペーサ１４５を挟んで互いに積層配置されている。スペーサ１４５には、各セル１３５，１５０の電極１３７，１５２と面するガス検出室１４５ｃが形成されている。酸素濃度検知セル１５０は、ガス検出室１４５ｃの酸素濃度に応じた出力電圧を生じる。酸素ポンプセル１３５は、酸素濃度検知セル１５０に生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、ガス検出室１４５ｃ内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う。酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間には、それらを接続するリーク部が、ジルコニアを主成分として形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定のガスを検出するガスセンサとしては、固体電解質体の外表面に一対の電極を配置したセルを備え、内燃機関の空燃比を測定する酸素センサが知られている。特に、内燃機関の空燃比を全領域にわたって測定するために、排ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するガスセンサとしては、２つのセルを、測定室を挟んで積層させた積層型のガスセンサが知られている（下記特許文献１等）。積層型のガスセンサでは、第１のセル（「酸素濃度検知セル」とも呼ぶ）が、測定室における酸素濃度に応じた電圧を外部の制御回路に出力し、第２のセル（「酸素ポンプセル」とも呼ぶ）が、制御回路から入力される電流に応じて測定室内へ酸素を汲み入れ／汲み出しを実行する。
【０００３】
こうした積層型のガスセンサは、下記の特許文献１にも記載されているとおり、通常、酸素濃度検知セルの出力電圧に基づき、酸素ポンプセルへ入力される電流（以後、「ポンプ電流」とも呼ぶ）をフィードバック制御する制御回路によって駆動される。しかし、積層型のガスセンサでは、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セルの出力電圧が、そのポンプ電流の変化に追従せず、タイムラグを生じて変化する場合があった。そして、そのタイムラグが過度に生じたときに、制御回路が発振してしまい、センサ出力が変動して、安定的な測定が困難となり、測定精度が低下してしまう場合があった。
【０００４】
これに対し、特許文献１記載の技術では、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタを制御回路内に設けている。この構成により、制御回路の発振を抑制するとともに、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度セルの出力が大きく影響され、センサ出力が変動してしまうことを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４３７００号公報
【０００６】
このように、従来は、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルの２つのセルを有する積層型のガスセンサにおいては、特許文献１のような、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタを備える専用の制御回路を準備することが望ましかった。しかし、そうした専用の制御回路を用いる場合には、制御回路に発振が生じにくく、制御回路にハイパスフィルタを備える必要性が低いタイプのガスセンサとの互換性が損なわれる可能性があった。また、制御回路に、ハイパスフィルタを設けるための抵抗やコンデンサを追加する必要があり、コストが上昇してしまう場合があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、フィードバック制御により駆動されるガスセンサにおいて、制御回路における発振抑制のための構成が省略された場合であっても、フィードバック制御に起因する発振を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
測定ガスを導入できる測定室と、
板状の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第１の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室に積層配置され、前記測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を生じる酸素濃度検知セルと、
板状の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第２の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室を挟んで前記酸素濃度検知セルと対向するように前記測定室に積層配置され、前記酸素濃度検知セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、前記測定室内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う酸素ポンプセルと、
内部に前記測定室を有し、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との間に積層され、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層と、
を備えるガスセンサであって、
前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを電気的に接続し、ジルコニアを主成分として形成されたリーク部が、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとの間に積層されると共に、前記絶縁層に隣接する、ガスセンサ。
【００１０】
このガスセンサによれば、２つのセル同士がリーク部によって電気的に導通することにより、酸素ポンプセルの電流変化に対する、酸素濃度検知セルの電圧変化の遅延（位相のずれ）が改善される。従って、酸素濃度検知セルの電圧変化に応じて、酸素ポンプセルの電流を制御する制御回路とセンサ出力とのフィードバック制御において、発振が発生することを抑制できる。即ち、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セルの出力電圧が大きく影響されてしまうことが抑制され、センサ出力の変動を抑制できる。なお、本明細書において、「電気的に導通」とは、電子またはイオン、あるいはその両方の移動経路が確保されることを意味する。
【００１１】
さらに、ガスセンサにリーク部を備えているため、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタなどの、フィードバック制御に起因する発振を抑制する構成部を備える専用の制御回路を準備しなくとも、そうした発振を抑制することが可能である。従って、そうした専用の制御回路の必要性が低い、制御回路に発振を生じさせにくいタイプのガスセンサとの互換性を達成することができる。その上、制御回路に、そうした発振抑制のための抵抗やコンデンサなどの構成要素を追加的に設ける必要がなく、製造コストの上昇を抑制することができる。
【００１２】
ところで、上記適用例１のガスセンサでは、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層を、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に積層するとともに、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとを電気的に接続するリーク部を別途設けている。フィードバック制御に発振が発生させることを抑制するためには、２つのセル同士を電気的に導通させればよく、例えば、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に絶縁層を設けることなく、電気的に接続する導通層を積層させて、２つのセル同士を電気的に導通させるものとしても良い。しかしながら、このように導通層を配置して、２つのセル同士を電気的に導通させてしまう構成では、酸素濃度検知セルの出力電圧に、導通層を介して２つのセルの間に流れる電流（「リーク電流」とも呼ぶ）に起因する電圧（「リーク電圧」とも呼ぶ）が大きく重畳されてしまい、ガスセンサの測定精度が低下する虞がある。これに対し、適用例１のガスセンサのように、絶縁層を酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に積層しつつ、別途、一部にリーク部を設ける構成であれば、酸素濃度検知セルの出力電圧にリーク電圧が過度に重畳してしまうことを適切に抑制できる。従って、リーク電流によってガスセンサの測定精度が低下してしまうことを抑制しつつ、フィードバック制御において発振が発生することを抑制できる。
【００１３】
なお、リーク部は、第１固体電解質体と第２固体電解質体とを電気的に接続することで、酸素濃度検知セルの参照電極又は参照電極リードと酸素ポンプセルとを電気的にリークさせる部位、もしくは酸素ポンプセルの外側電極又は外側電極リードと酸素濃度検知セルとを電気的にリークさせる部位であれば良い。また、具体的に、リーク部は、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に介在するように配置されている。
【００１４】
［適用例２］
適用例１記載のガスセンサであって、さらに、
前記第２固体電解質体に積層され、内部に発熱部が埋設された板状のヒータを備え、
前記リーク部は、前記ガスセンサの積層方向に沿って見たときに、前記発熱部と少なくとも一部が重なる領域に設けられている、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部が、発熱部による加熱領域に重なるように配置されるため、リーク部の温度が適切に制御され、リーク部を構成するジルコニアの導電性を良好に維持することができる。従って、より確実に、フィードバック制御の発振を抑制でき
、センサ出力が変動することを抑制できる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とに挟まれた領域において、前記絶縁層を前記ガスセンサの積層方向に貫通して形成されており、
前記絶縁層の前記積層方向に垂直な切断面のうちの少なくとも一つの切断面において、前記リーク部の面積が、前記絶縁層と前記リーク部の面積の合計に対して、５０％未満である、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部の面積を、絶縁層とリーク部の面積の合計に対して、５０％未満とする（つまり、リーク部の面積が絶縁層の面積よりも少なくする）ことにより、絶縁層においてリーク部が占める割合を適切に調整することができる。従って、リーク電流によって、フィードバック制御において発振が発生することが十分に抑制される一方で、酸素濃度検知セルの出力電圧に重畳するリーク電圧が適切に抑制され、リーク電圧に起因するガスセンサの測定精度の低下が抑制される。なお、リーク部は、絶縁層の積層方向に垂直な任意の切断面のうち、１つの切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良く、より好ましくは、複数の切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良い。更に好ましくは、リーク部は、全ての切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良い。
【００１６】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検知セルと、前記絶縁層とによって外表面が被覆されている、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部の外表面が、排ガスに曝されることを抑制できるため、リーク部の外表面にカーボン（煤）や水滴が付着してしまうことを抑制できる。従って、リーク部に対するカーボンの付着により、ガスセンサにブラックニングが発生したり、リーク部に対する水滴の付着により、ガスセンサにクラックが発生することによって、センサが故障してしまうことが抑制される。
【００１７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサや、そのガスセンサを備えるガス検出装置、そのガス検出装置を搭載する車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスセンサの外観を示す概略図。
【図２】ガスセンサの内部構造を示す概略断面図。
【図３】ガスセンサ素子の構成を示す概略斜視図。
【図４】ガスセンサ素子を分解して示す概略斜視図。
【図５】ガスセンサの制御方法を説明するための模式図。
【図６】ガスセンサの制御回路の構成の一例を示す概略図。
【図７】本発明の発明者による実験結果を示す説明図。
【図８】参考例としてのガスセンサの構成を示す概略図。
【図９】参考例のガスセンサに接続される制御回路の構成の一例を示す概略図。
【図１０】ガスセンサの他の構成例を説明するための概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Ａ．実施形態：
図１は本発明の一実施形態としてのガスセンサ１００の外観を示す概略図である。図１には、ガスセンサ１００の仮想中心軸ＡＸ（以下、単に「軸線ＡＸ」とも呼ぶ）を一点鎖線で図示してある。このガスセンサ１００は、内燃機関の排気管などに装着され、測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を、リッチ領域からリーン領域に渡ってリニアに検知する、いわゆる全領域空燃比センサである。
【００２０】
ガスセンサ１００は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸された形状を有している。ガスセンサ１００は、その先端側（紙面下側）が排気管の内部に挿入され、後端側（紙面上側）が排気管の外部に突出するように排気管の外表面に固定的に取り付けられる。なお、図１には、ガスセンサ１００が取り付けられたときの排気管の外表面の位置が二点鎖線ＰＳで図示してある。
【００２１】
ガスセンサ１００は、自身を排気管に対して固定的に取り付けるための主体金具１１０を備える。主体金具１１０は、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１１０ｃ（図２参照）を有する筒状の金属部材である。主体金具１１０の外側には、排気管に設けられたガスセンサ１００の取り付けのためのネジ溝に螺合するねじ部１１０ａや、ガスセンサ１００の取り付けの際にスパナやレンチなどの工具を係合させるための工具係合部１１０ｂが形成されている。
【００２２】
主体金具１１０の先端側には、二重の有底筒状のプロテクタ１０１が、レーザ溶接により固設されている。二重のプロテクタ１０１には、ガスセンサ１００を排気管に取り付けたときに、排ガスを内部に導入できるように、内側および外側の壁部のそれぞれに、複数の導入孔１０１ｃが形成されている。
【００２３】
主体金具１１０の後端側には、筒状の金属製の外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。ガスセンサ１００の内部には、外筒１０３の後端側端部から、ガスセンサ１００と外部の制御回路２００（図５参照）とを電気的に接続するための３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と、２本のヒータ用リード線１９６，１９７とが挿通されている。なお、外筒１０３の後端側端部には、外筒１０３の内部を封止するためのフッ素ゴム製のグロメット１９１が取り付けられており、５種類のリード線１９３〜１９７は、グロメット１９１を貫通して、外筒１０３の内部に挿入されている。
【００２４】
図２は、図１と同様な方向から見たときのガスセンサ１００の内部構造を示す概略断面である。図２には、図１と同様に、ガスセンサ１００の仮想中心軸ＡＸが一点鎖線で図示してあるとともに、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときの、排気管の外表面の位置が二点鎖線ＰＳで図示してある。
【００２５】
ガスセンサ１００は、酸素濃度に応じた信号を出力するガスセンサ素子１２０を備える。ガスセンサ素子１２０は、細長形状の板部材を積層した積層構造を有しており、仮想中心軸ＡＸに垂直な断面が略矩形形状となる四角柱形状を有している（詳細は後述）。ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に固定的に保持されており、ガスセンサ１００の内部において、軸線ＡＸ方向に沿って収容される。なお、図２では、ガスセンサ素子１２０の積層方向に沿って互いに対向し合う第１と第２の面１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ紙面左側および紙面右側に向いている。
【００２６】
ガスセンサ素子１２０の先端側（紙面下側）の端部には、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１が設けられている。ガス検出部１２１は、プロテクタ１０１の内部に収容・配置されている。これによって、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときに、ガス検出部１２１は、導入孔１０１ｃから導入された排ガスに曝される。
【００２７】
ここで、主体金具１１０の後端側（紙面上側）の外筒１０３内には、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１８１ｃを有する筒状の絶縁部材であるセパレータ１８１が固定的に保持されている。具体的には、セパレータ１８１は、外周に配置された略筒状の付勢金具１９０によって、グロメット１９１に向かって付勢された状態で、外筒１０３内に保持されている。ガスセンサ素子１２０の後端側の端部は、そのセパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内に収容されている。
【００２８】
ガスセンサ素子１２０の後端部には、第１の面１２０ａ側に、３つのセンサ用の電極パッド１２５、１２６、１２７が紙面奥行き方向に並列に配列され、第２の面１２０ｂ側に、２つのヒータ用の電極パッド１２８，１２９が紙面奥行き方向に並列に配列されている。さらに、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内には、３つのセンサ用の接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用の接続端子１８５，１８６とが、ガスセンサ素子１２０の対応する各電極パッド１２５〜１２９と接触するように設けられている。なお、各センサ用接続端子１８２〜１８６は、グロメット１９１を介してガスセンサ１００内に挿通された５本のリード線１９３〜１９７に電気的に接続されている。
【００２９】
図２の紙面左側には、ガスセンサ素子１２０の各電極パッド１２５〜１２９と、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内の接続端子１８２〜１８６との接触状態を模式的に図示してある。セパレータ１８１に設けられた各接続端子１８５〜１８６は、ガスセンサ１００の先端側から後端側に向かって折り曲げられた板バネ構造を有しており、その弾性力によって、対応する各電極パッド１２５〜１２９を押圧する。なお、ガスセンサ素子１２０の各電極パッド１２５〜１２９の詳細については後述する。
【００３０】
ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の筒内における以下のような構成により、主体金具１１０に固定的に保持されている。主体金具１１０の貫通孔１１０ｃの先端側には、径方向内側に突出する段部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、底面に貫通孔１１６ｃを有する金属カップ１１６が、その底面の外周端部が段部１１１と係合した状態で配置される。
【００３１】
金属カップ１１６の底面側の内部空間には、セラミックホルダ１１３が配置される。セラミックホルダ１１３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）によって構成され、中央に、ガスセンサ素子１２０を挿通するための矩形状の貫通孔１１３ｃが形成されている。
【００３２】
金属カップ１１６の内部には、金属カップ１１６の貫通孔１１６ｃと、セラミックホルダ１１３の貫通孔１１３ｃとに挿通されたガスセンサ素子１２０を気密に保持するための第１粉末充填層１１４（タルク）が形成されている。第１粉末充填層１１４は、セラミックホルダ１１３の上に滑石粉末を充填することにより形成される。このように、ガスセンサ素子１２０は、金属カップ１１６と、セラミックホルダ１１３と、第１粉末充填層１１４と、一体化された状態で、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に保持される。
【００３３】
主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、第１粉末充填層１１４の上に、さらに、主体金具１１０の後端側とガスセンサ素子１２０のガス検出部１２１との間の気密性を確保するための第２粉末充填層１１５（タルク）が、滑石粉末を充填することにより形成されている。そして、第２粉末充填層１１５の上にはセラミックスリーブ１７０が配置されている。
【００３４】
セラミックスリーブ１７０は、ガスセンサ素子１２０を挿通するための、軸線ＡＸ方向に沿った矩形状の軸孔１７０ｃを有する筒状体である。セラミックスリーブ１７０は、アルミナによって構成することができる。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて加締めることにより、第２粉末充填層１１５側に押圧された状態で、主体金具１１０に固定される。なお、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋとセラミックスリーブ１７０との間には、加締リング１１７が配置される。
【００３５】
図３は、ガスセンサ素子１２０の構成を示す概略斜視図である。図３には、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を紙面上側とし、第２の面１２０ｂ側を紙面下側として図示してある。また、軸線ＡＸ方向（図１，図２）を紙面左右方向とし、先端側を紙面左側とし、後端側を紙面右側として図示してある。ガスセンサ素子１２０は、板状の検出素子１３０（紙面上側）と、板状のヒータ素子１６０（紙面下側）とが積層されて焼成一体化されることによって構成されている。
【００３６】
なお、図２においても説明したように、ガスセンサ素子１２０の先端側には、ガス検出部１２１が形成されている。そして、後端側の第１の面１２０ａ側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が配列されている。なお、図示はされていないが、後端側の第２の面１２０ｂ側には、２つの電極パッド１２８，１２９が配列されている。
【００３７】
図４は、ガスセンサ素子１２０を分解して示す概略斜視図である。図４には、積層方向（紙面上下方向）に分解されたガスセンサ素子１２０の各構成部が、紙面左側を先端側とし、紙面右側を後端側として図示してある。なお、図中の二点鎖線は、二点鎖線で結ばれた各構成部が電気的に導通していることを示している。ガスセンサ１００の検出素子１３０は、保護層１３１と、酸素ポンプセル１３５と、スペーサ１４５と、酸素濃度検知セル１５０とが、第１の面１２０ａ側から、この順序で積層されている。
【００３８】
保護層１３１は、アルミナを主成分として形成された板状部材であり、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を保護する。保護層１３１の先端側には、保護層１３１の積層方向（紙面上下方向）に通気性を有する多孔質部１３２が形成されている。多孔質部１３２は、ガスセンサ素子１２０を、その積層方向に沿って見たときに、後述する電極部１３７Ｍと重なる領域に形成されている。多孔質部１３２は、ガス検出部１２１の排ガスの汲み入れ／汲み出しのためのガス流路部として機能する。
【００３９】
保護層１３１の外側の面１３１ａの後端側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が、ガスセンサ素子１２０の幅方向（紙面奥行き方向）に並列に配列される。そして、保護層１３１には、第１〜第３のスルーホール導体１１〜１３が、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７に対応させて、貫通形成されている。
【００４０】
酸素ポンプセル１３５は、固体電解質体１３６と、固体電解質体１３６を内部に配置するアルミナ層１３９と、一対の電極１３７，１３８とを備える。固体電解質体１３６は、ジルコニア（ＺｒＯ２）を主成分として形成されており、一対の電極部１３７Ｍ，１３８Ｍよりも若干大きい面積を有するように形成された板状部材である。アルミナ層１３９は、固体電解質体１３６の外周を囲み、その周囲を覆うように設けられた、保護層１３１と略同様なサイズを有する板状部材である。アルミナ層１３９の後端側には、保護層１３１に形成された第２と第３のスルーホール導体１２，１３と電気的に導通する第４と第５のスルーホール導体１４，１５が貫通形成されている。なお、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６が、特許請求の範囲における「第２固体電解質体」に相当する。
【００４１】
２つの電極１３７，１３８はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成された、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍと、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌとを有している。電極部１３７Ｍ，１３８Ｍはそれぞれ、固体電解質体１３６の第１の面１３６ａ（紙面上側の面）と、第２の面１３６ｂ（紙面下側の面）にそれぞれ配置されている。このうち、第２の面１３６ｂ側に配置された電極部１３８Ｍは、後述するガス検出室１４５ｃに露出する。一方、第１の面１３６ａ側に配置された電極部１３８Ｍは、ガスセンサ１００が排気管に装着されたときに、保護層１３１に設けられた多孔質部１３２を介して排気ガスに晒される。なお、電極１３８が、特許請求の範囲における「第２の電極」に相当する。
【００４２】
また、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌはそれぞれ、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍから後端側へと延伸している部位である。このうち、第１の面１３６ａ側に配置された電極１３７のリード部１３７Ｌは、保護層１３１の第１のスルーホール導体１１を介して、第１の電極パッド１２５と電気的に導通する。一方、第２の面１３６ｂ側に配置された電極１３８のリード部１３８Ｌは、固体電解質体１３６に設けられた第４のスルーホール導体１４および保護層１３１に設けられた第２のスルーホール導体１２を介して、第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。
【００４３】
スペーサ１４５は、アルミナを主成分として形成された、酸素ポンプセル１３５のアルミナ層１３９と略同様なサイズを有する板状の絶縁部材である。スペーサ１４５の先端側には、開口部が形成されている。この開口部は、スペーサ１４５が、酸素ポンプセル１３５と、酸素濃度検知セル１５０とに狭持されたときに、測定ガスである排ガスが導入されるガス検出室１４５ｃを構成する。なお、スペーサ１４５は、特許請求の範囲における「絶縁層」に相当し、ガス検出室１４５ｃは、特許請求の範囲における「測定室」に相当する。
【００４４】
スペーサ１４５において、開口部を挟んで、スペーサ１４５の幅方向に互いに対向し合う２つの側壁部には、拡散律速部１４６が形成されている。拡散律速部１４６は、通気性を有する多孔質のアルミナによって構成されている。ガスセンサ素子１２０では、拡散律速部１４６の通気度に応じた量の排ガスが、ガス検出室１４５ｃに導入される。即ち、拡散律速部１４６は、ガス検出部１２１のガス導入部として機能する。
【００４５】
スペーサ１４５の後端側には、酸素ポンプセル１３５の電極１３８のリード部１３８Ｌと電気的に導通する第６のスルーホール導体１６が貫通形成されている。また、第６のスルーホール導体１６と隣り合う位置には、酸素ポンプセル１３５のアルミナ層１３９に設けられた第５のスルーホール導体１５と電気的に導通する第７のスルーホール導体１７が貫通形成されている。
【００４６】
スペーサ１４５は、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを絶縁する絶縁層として機能する。なお、スペーサ１４５には、スペーサ１４５を厚み方向に貫通して、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを電気的に接続するリーク部１４８が設けられている。なお、リーク部１４５の詳細は後述する。
【００４７】
酸素濃度検知セル１５０は、固体電解質体１５１と、固体電解質体１５１を内部に配置するアルミナ層１５４と、一対の電極１５２，１５３とを備える。固体電解質体１５１は、ジルコニアを主体に形成された、一対の電極部１５２Ｍ，１５３Ｍよりも若干大きな面積を有するように形成された板状部材である。アルミナ層１５４は、固体電解質体１５１の外周を囲み、その周囲を覆うように形成され、スペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材である。アルミナ層１５４の後端側には、第８のスルーホール導体１８が貫通形成されている。第８のスルーホール導体１８は、スペーサ１４５に形成された第７のスルーホール導体１７と電気的に導通する。なお、酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１は、特許請求の範囲における「第１固体電解質体」に相当する。
【００４８】
２つの電極１５２，１５３はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成された、電極部１５２Ｍ，１５３Ｍと、リード部１５２Ｌ，１５３Ｌとを有する。電極部１５２Ｍ，１５３Ｍは、固体電解質体１５１の第１の面１５１ａ（紙面上側の面）と第２の面１５１ｂ（紙面下側の面）とにそれぞれ配置されている。このうち、第１の面１５１ａ側に配置された電極部１５２Ｍは、ガス検出室１４５ｃに露出する。なお、電極１５２が、特許請求の範囲における「第１の電極」に相当する。
【００４９】
なお、第１の面１５１ａ側に配置された電極１５２のリード部１５２Ｌは、スペーサ１４５に設けられた第６のスルーホール導体１６を介して、酸素ポンプセル１３５の電極１３８および第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。一方、第２の面１５０ｂ側に配置された電極１５３のリード部１５３Ｌは、固体電解質体１５１に設けられた第８のスルーホール導体１８を介して、第３の電極パッド１２７と電気的に導通する。
【００５０】
ヒータ素子１６０は、第１と第２の絶縁体１６１，１６２と、発熱抵抗体１６３と、第１と第２のヒータリード部１６４，１６５と、を備える。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、アルミナによって構成された、検出素子１３０と同様なサイズを有する板状部材である。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、発熱抵抗体１６３及びヒータリード部１６４，１６５を狭持する。
【００５１】
発熱抵抗体１６３は、白金を主成分とする発熱線によって構成され、蛇行形状を有する発熱体である。２つのヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、発熱抵抗体１６３の両端に接続されており、発熱抵抗体１６３から後端側に向かって延伸している。なお、ヒータ素子１６０が、特許請求の範囲における「ヒータ」に相当し、発熱抵抗体１６３が、特許請求の範囲における「発熱部」に相当する。
【００５２】
ここで、第２の絶縁体１６２の外側の面１６２ｂの後端側には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９が、ヒータ素子１６０の幅方向に、並列に配列されている。そして、第２の絶縁体１６２には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９に対応する第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２が貫通形成されている。発熱抵抗体１６３に接続された第１と第２のヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２を介して、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９と電気的に導通する。
【００５３】
ヒータ素子１６０は、ガスセンサ１００の駆動の際には、外部のヒータ制御回路（図示せず）によって、発熱温度が制御される。そして、検出素子１３０を、数百℃（例えば、７００〜８００℃）に加熱して酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを活性化させる。
【００５４】
リーク部１４８は、スペーサ１４５において、２つの固体電解質体１３６，１５１および電極１３８，１５２（より具体的には、それらのリード部１３８Ｌ,１５２Ｌ）に直接的に接するように、スペーサ１４５を積層方向に貫通して形成されている。より具体的には、リーク部１４８は、ガス検出室１４５ｃを構成する開口部から後端側に離間した位置において、その外周表面がスペーサ１４５に被覆されるとともに、上面および底面が、対応する各セル１３５，１５０に接触可能なように、スペーサ１４５に形成されている。
【００５５】
リーク部１４８は、ジルコニアを主成分として構成される。ここで、本明細書において、「ジルコニアを主成分とする」とは、リーク部１４８におけるジルコニアの含有量比率が５０％を超えることを意味する。なお、リーク部１４８は、ジルコニアの含有量比率が８０〜１００％となるように形成されることが、より好ましい。また、リーク部１４８は、スペーサ１４５との間の接合性を向上させるために、０〜２０％程度の含有量比率でアルミナや、スピネル、チタニア（ＴｉＯ２）等の絶縁性セラミックが混合されていることが好ましい。
【００５６】
ここで、本実施形態におけるガスセンサ１００は、制御回路２００（後述）によって、フィードバック制御される。その際に、リーク部１４８は、制御回路２００とセンサ出力とのフィードバック制御における発振の発生が抑制されるように、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０との間の電子および／又は酸素イオンの移動経路として機能する。リーク部１４８がフィードバック制御の発振を抑制するメカニズムについての詳細は後述する。
【００５７】
ところで、本実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、ガスセンサ素子１２０を積層方向に沿って見たときに、その少なくとも一部が、発熱抵抗体１６３と重なるように配置されている。具体的には、リーク部１４８は、図４において一点鎖線で示すように、リーク部１４８を積層方向に沿って発熱抵抗体１６３に仮想的に投影したときに、その投影像の少なくとも一部が、発熱抵抗体１６３の上に位置するように形成されている。これによって、リーク部１４８の温度が適切に制御され、リーク部１４８を構成するジルコニアの導電性を良好に維持することができる。よって、確実に、フィードバック制御の発振を抑制でき、センサ出力が変動することを抑制できる。
【００５８】
さらに、本実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、外表面が排ガスに曝されないように、外周表面全体がスペーサ１４５によって被覆される位置に形成されている。これによって、ガスセンサ１００の駆動中に、高温となったリーク部１４８の外表面に排ガス中の水分が付着して、リーク部１４８にクラックが生じてしまうことが抑制できる。また、リーク部１４８の外表面にカーボンが付着して、主体金具１１０等を介して外部と電気的に導通してしまうことを抑制でき、リーク部１４８のジルコニアにブラックニング（黒化現象）の発生を抑制できる。
【００５９】
また、リーク部１４８は、積層方向に垂直な任意の切断面における面積が、当該切断面におけるスペーサ１４５とリーク部１４８の面積の合計に対して、５０％未満となるように形成されることが好ましい。スペーサ１４５におけるリーク部１４８の面積比率が上記の値以上となる場合には、リーク部１４８に流れる電流（後述）が過度に大きくなってしまう。即ち、ガスセンサ素子１２０におけるスペーサ１４５の絶縁層としての機能が損なわれ、ガスセンサ１００の測定精度が低下する虞がある。なお、この場合に、スペーサ１４５の面積は、ガス検出室１４５ｃを形成する開口部を除いた面積である。
【００６０】
図５は、ガスセンサ１００の制御方法を説明するための模式図である。図５には、ガスセンサ素子１２０のうちの酸素ポンプセル１３５と、スペーサ１４５と、酸素濃度検知セル１５０と、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７のみを模式的に図示してある。また、図５には、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７を介して、酸素ポンプセル１３５および酸素濃度検知セル１５０に電気的に接続される、ガスセンサ１００の外部に設けられた制御回路２００を図示してある。
【００６１】
上述したように、ガスセンサ１００のガスセンサ素子１２０では、スペーサ１４５が２つのセル１３５，１５０に狭持されたときに、スペーサ１４５の内部にガス検出室１４５ｃが形成される。酸素ポンプセル１３５の電極１３８は、電極部１３８Ｍが、ガス検出室１４５ｃに面するように配置され、ガス検出室１４５ｃの壁面の一部を構成する。
【００６２】
同様に、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２は、電極部１５２Ｍがガス検出室１４５ｃに面するように配置され、ガス検出室１４５ｃの壁面の一部を構成する。なお、ガス検出室１４５ｃには、スペーサ１４５に設けられた拡散律速部１４６（図４）を介して、測定ガスである排ガスが導入される。
【００６３】
酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６では、電極１３７，１３８の間に電位差が生じたときに、その電位差に応じて、積層方向に酸素イオンが伝導する。ガスセンサ１００では、制御回路２００から酸素ポンプセル１３５に電流を流すことにより、固体電解質体１３６を介したガス検出室１４５ｃへの酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う。なお、酸素ポンプセル１３５は、「Ｉｐセル」とも呼ばれる。
【００６４】
酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１では、第１の面１５１ａ側と第２の面１５１ｂ側との間に酸素の濃度差が生じたときに、その濃度差に応じて、起電力が生じる。ガスセンサ１００では、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２，１５３間の起電力を検出し、電極１５３の電極部１５３Ｍにおける酸素濃度を基準として、ガス検出室１４５ｃの酸素濃度を検出する。酸素濃度検知セル１５０は、「起電力セル」または「Ｖｓセル」とも呼ばれる。
【００６５】
ここで、本明細書では、酸素ポンプセル１３５の電極１３７に接続される第１の電極パッド１２５を「Ｉｐ電極パッド１２５」とも呼ぶ。また、酸素ポンプセル１３５の電極１３８と、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２と接続される第２の電極パッド１２６を「ＣＯＭ電極パッド１２６」とも呼ぶ。そして、酸素濃度検知セル１５０の電極１５３と接続される第３の電極パッド１２７を「Ｖｓ電極パッド１２７」とも呼ぶ。
【００６６】
制御回路２００は、ガスセンサ素子１２０に対して、以下のようなフィードバック制御を行う。制御回路２００は、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓを、ＣＯＭ電極パッド１２６とＶｓ電極パッド１２７とを介して検出する。そして、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が所定の基準値となるように、Ｉｐ電極パッド１２５とＣＯＭ電極パッド１２６を介して、酸素ポンプセル１３５にポンプ電流Ｉｐを流してガス検出室１４５ｃにおける酸素濃度を調整する。制御回路２００は、酸素ポンプセル１３５に流したポンプ電流の電流値に基づく信号をガスセンサ１００による検出結果として出力する。
【００６７】
なお、前記したとおり、ガスセンサ１００の駆動の際には、酸素濃度検知セル１５０の電極１５３における電極部１５３Ｍは、基準となる酸素濃度を有する閉塞された酸素基準室として機能する。そこで、ガスセンサ１００では、その起動時に、電極部１５３Ｍにおける酸素濃度が所定の基準値となるように、制御回路２００が、酸素濃度検知セル１５０に微少電流（例えば１５μＡ程度の電流）を流し、電極部１５３Ｍ内に酸素を導入する。
【００６８】
ここで、ガスセンサ１００の駆動の際の、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧の目標値は、ガス検出室１４５ｃ内の排ガスの空燃比が理論空燃比となる値（例えば、４５０ｍＶ程度）である。そして、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも低いとき（リッチなとき）に、酸素ポンプセル１３５に対して、ガス検出室１４５ｃに酸素を汲み入れる方向のポンプ電流が入力される。また、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも高いとき（リーンなとき）には、酸素ポンプセル１３５に対して、ガス検出室１４５ｃから酸素を汲み出す方向のポンプ電流が入力される。
【００６９】
図６は、ガスセンサ１００の制御回路２００の構成の一例を示す概略図である。制御回路２００は、ＰＩＤ（比例積分微分）素子２１０と、オペアンプ２１１と、第１〜第３の抵抗２２１〜２２３と、基準電源２３０とを備える。ＰＩＤ素子２１０は、一方の入力端子がＶｓ電極パッド１２７に接続され、他方の入力端子が基準電源２３０に接続されている。そして、ＰＩＤ素子２１０の出力端子は、第１と第２の抵抗２２１，２２２を介してＣＯＭ電極パッド１２６に接続されるとともに、第２の抵抗２２２を介してオペアンプ２１１の一方の入力端子に接続されている。
【００７０】
オペアンプ２１１は、一方の入力端子には、前記したとおり、第１または第２の抵抗２２１，２２２を介してＣＯＭ電極パッド１２６と、ＰＩＤ素子２１０とが接続され、他方の入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆ０が印加されている。オペアンプ２１１の出力端子は第３の抵抗２２３を介して、Ｉｐ電極パッド１２５に接続されている。
【００７１】
この制御回路２００では、基準電源２３０が出力する基準電圧Ｖｒｅｆ１と酸素濃度検知セル１５０が出力する電圧Ｖｓとの差に応じた信号が、ＰＩＤ素子２１０からオペアンプ２１１に出力される。そして、ＰＩＤ素子２１０の出力信号に応じた電流が、ポンプ電流として、オペアンプ２１１から酸素ポンプセル１３５へと入力される。
【００７２】
ところで、本実施形態のガスセンサ１００のように、酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとが積層された従来の積層型のガスセンサでは、制御回路によって、上述したようなフィードバック制御が行われたときに、当該制御回路に発振が生じてしまう場合があった。この理由を、以下に説明する。
【００７３】
積層型のガスセンサでは、酸素濃度検知セルの出力電圧が目標値となるように、酸素ポンプセルによって、ガス検出室への酸素の汲み入れ／汲み出しが行われた後に、酸素濃度検知セルの出力電圧が変化するまでにはタイムラグが生じる場合がある。これは、ガス検出室において、酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとの間を酸素分子が移動するのに時間がかかるためである。
【００７４】
こうしたタイムラグが生じると、酸素濃度検知セルの電圧が目標値に到達する前に、再び、酸素ポンプセルのポンプ電流が、その目標値に到達する前の酸素濃度検知セルの電圧に基づいて変化してしまうことになる。従って、タイムラグが過度に大きくなった場合には、酸素濃度検知セルの出力電圧が収束せず、制御回路に発振が生じてしまう。
【００７５】
これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０との間にリーク部１４８を設けられている。このリーク部１４８によって、それら２つのセル１３５，１５０が電気的に導通し、そうしたタイムラグの発生が抑制される。具体的には、以下の通りである。
【００７６】
ここで、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも低い状態を想定する。このときには、酸素ポンプセル１３５によってガス検出室１４５ｃに酸素が汲み入れられる。しかし、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２は、汲み入れられた酸素が電極１５２に到達するまでの間は、酸素濃度が低いままである。
【００７７】
しかし、本実施形態のガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐが変化したときに、酸素ポンプセル１３５の外側の電極１３７と酸素濃度検知セル１５０のガス検出室１４５ｃ側の電極１５２との間において、リーク部１４８を介して、電気的なやりとりが行われる。即ち、ポンプ電流Ｉｐが変化したときに、そのポンプ電流Ｉｐの一部が、リーク部１４８を介して、酸素濃度検知セル１５０へと流れ（リークし）、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓが、目標値に近づくように変化する。
【００７８】
このように、本実施形態のガスセンサ１００では、酸素ポンプセル１３５における電気的な変化が、リーク部１４８介して、酸素濃度検知セル１５０に伝達され、酸素濃度検知セル１５０における酸素濃度の変化の遅れが補償される。これによって、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流Ｉｐが変化したときに、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が目標値にリニアに到達することが促進され、上述したタイムラグの発生が抑制される。これは、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも高く、酸素ポンプセル１３５によってガス検出室１４５ｃから酸素が汲みだされる場合も同様である。
【００７９】
図７は、本発明の発明者による実験結果を示す説明図である。本発明の発明者は、実施例として、本実施形態のガスセンサ１００についての性能評価を以下のように行った。本発明の発明者は、酸素濃度検知セル１５０に、所定の範囲の電圧変化を外乱として周期的に与えた。そして、外乱によって変化したポンプ電流ΔＩｐに対する、外乱によって変化した酸素濃度検知セル１５０の出力電圧ΔＶｓの割合をセンサ利得として計測し、ポンプ電流ΔＩｐの位相に対する出力電圧ΔＶｓの位相のずれをセンサ位相として計測した。さらに、制御回路２００に入力される出力電圧ΔＶｓに対して制御回路２００から出力されるポンプ電流ΔＩｐの割合を制御回路利得として計測し、制御回路２００に入力される出力電圧ΔＶｓに対する制御回路２００から出力されるポンプ電流ΔＩｐの位相のずれを制御回路位相として計測した。そして、センサ利得と制御回路利得との合計を一巡伝達利得とし、センサ位相と制御回路位相との合計を一巡伝達位相とした。
【００８０】
図７のグラフは、横軸を外乱の周波数とし、紙面左側の縦軸を一巡伝達利得（ｄＢ）とし、紙面右側の縦軸を一巡伝達位相（ｄｅｇ）として、計測結果をプロットしたものである。なお、図７のグラフには、参考例として、以下に説明するガスセンサ１００ａと制御回路２００ａとを用いて行った同様な性能評価における測定結果もプロットしてある。
【００８１】
図８は、参考例としてのガスセンサ１００ａの構成を示す概略図である。図８は、リーク部１４８が設けられていない点と、制御回路２００に換えて制御回路２００ａが設けられている点以外は、図５とほぼ同じである。参考例のガスセンサ１００ａのリーク部１４８以外の他の構成は、本実施形態のガスセンサ１００と同様である。
【００８２】
図９は、参考例のガスセンサ１００ａに接続される制御回路２００ａの構成の一例を示
す概略図である。図９は、ハイパスフィルタ２４０が設けられている点以外は、図６とほぼ同じである。制御回路２００ａは、ガスセンサ１００ａに対して、本実施形態のガスセンサ１００に用いられる制御回路２００と同様なフィードバック制御を行う。そして、その際に、自身が備えるハイパスフィルタ２４０によって、発振の発生を抑制する。
【００８３】
ハイパスフィルタ２４０は、互いに直列に接続された、抵抗２４１と、コンデンサ２４２とを備える。ハイパスフィルタ２４０は、抵抗２４１側がＶｓ電極パッド１２７に接続され、コンデンサ２４２側がＩｐ電極パッド１２５に接続されている。このハイパスフィルタ２４０は、酸素ポンプセル１３５におけるポンプ電流の流れの向きが変わったときに、所定量の電流だけを通す。制御回路２００ａは、このハイパスフィルタ２４０に流れる所定量の電流によって、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流の変化に対する酸素濃度検知セル１５０の電圧変化の遅延を改善することができる。従って、制御回路２００ａにおいて発振が生じてしまうことが抑制される。
【００８４】
図７のグラフにおいて、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相が−１８０（ｄｅｇ）以下の値を示した場合には、制御回路に発振が生じてしまう。そして、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときの一巡伝達位相の値が−１８０（ｄｅｇ）より大きいほど、発振が抑制される。
【００８５】
ここで、本発明者が行った性能評価によれば、以下のことがわかる。参考例のガスセンサ１００ａと制御回路２００ａとを組み合わせた場合には、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相がほぼ−１１０（ｄｅｇ）となった（図７）。即ち、参考例のガスセンサ１００ａでは、ハイパスフィルタ２４０を有する制御回路２００ａによって、発振が抑制されている。
【００８６】
これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相がほぼ−１００（ｄｅｇ）となった。このように、本実施形態のガスセンサ１００では、制御回路２００がハイパスフィルタ２４０のような発振抑制機構を有していない場合であっても、制御回路２００における発振が抑制されている。これは、リーク部１４８が、制御回路２００ａのハイパスフィルタ２４０と同様な、発振抑制機構として機能したためである。
【００８７】
このように、本実施形態のガスセンサ１００によれば、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを接続するリーク部１４８を設けることにより、フィードバック制御において発振が生じることが抑制される。従って、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が、大きく影響されることが抑制され、センサ出力の変動が抑制されている。
【００８８】
さらに、本実施形態のガスセンサ１００であれば、リーク部１４８を備えているため、参考例の制御回路２００ａの、抵抗２４１及びコンデンサ２４２を用いたハイパスフィルタ２４０のように、発振を抑制するための構成部を備える専用の制御回路２００ａを用いなくとも良い。従って、制御回路に発振を生じさせにくく、制御回路にハイパスフィルタ２４０を設ける必要性が低いタイプのガスセンサとの互換性を確保することができる。
【００８９】
また、従来は、制御回路に発振が生じやすいタイプのガスセンサは、参考例の制御回路２００ａのように、発振を抑制するための構成部を備える専用の制御回路を用いることが望ましかった。しかし、本実施形態のガスセンサ１００であれば、接続される制御回路において、そうした発振を抑制するための構成部を省略することが可能である。従って、制御回路に、そうした構成部を設けることを省略できるため、その分のコストを削減することが可能である。
【００９０】
その上、本実施形態のガスセンサ１００には、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５とを絶縁するスペーサ１４５を、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間に積層するとともに、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５とを電気的に接続するリーク部１４８を別途設けている。フィードバック制御において発振が発生することを抑制するためには、２つのセル１５０、１３５同士が電気的に導通すれば良く、例えば、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間にスペーサ１４５を設けることなく、電気的に接続する導通層を積層させて、２つのセル１５０、１３５同士が電気的に導通する構成としても良い。しかしながら、この導通層を配置してしまうと、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓに、導通層を介して流れるリーク電流に起因するリーク電圧が大きく重量されてしまい、ガスセンサ１００の測定精度が低下する虞がある。これに対し、スペーサ１４５を酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間に積層しつつ、別途、一部にリーク部１４８を設ける構成であれば、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓに重畳するリーク電圧が適切に抑制される。そのため、リーク電流によってガスセンサ１００の測定精度が低下してしまうことを抑制しつつ、フィードバック制御において発振が発生することを抑制できる。
【００９１】
Ｂ．他の構成例：
【００９２】
図１０は、本発明に係るガスセンサの他の構成例としてのガスセンサ１００Ｂの構成を説明するための概略図である。図１０は、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０のそれぞれにおいてアルミナ層１３９，１５４が省略されている点と、リーク部１４８の形成位置が異なる点以外は、図５とほぼ同じである。この構成例のガスセンサ１００Ｂでは、酸素ポンプセル１３５において、アルミナ層１３９が省略され、固体電解質体１３６がスペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材として構成されている。また、酸素濃度検知セル１５０において、アルミナ層１５４が省略され、固体電解質体１５１がスペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材として形成されている。そして、この構成例では、リーク部１４８は、スペーサ１４５の内部において、スペーサ１４５の先端側（ガス検出室１４５ｃよりも先端側）を積層方向に貫通して形成されており、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６と、酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１とに直接的に接触している。なお、このガスセンサ１００Ｂのリーク部１４８は、各セル１３５，１５０の電極１３７，１３８，１５２，１５３とは離間して形成されている。
【００９３】
このガスセンサ１００Ｂの構成であっても、リーク部１４８によって、フィードバック制御の発振が抑制される。そして、リーク部１４８の外表面が排ガスと直接的に接触することを抑制でき、リーク部１４８の外表面に、排ガス中のカーボンや水滴が付着してしまうことも抑制できる。
【００９４】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば、リーク部１４８の形成位置や大きさは、上記実施形態や構成例において説明した位置に限定されるものではない。リーク部１４８は、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを互いに接続して、電気的に導通できる位置に形成されていれば良い。
【００９５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、ガスセンサ素子１２０を積層方向に沿って見たときに、ヒータ素子１６０の発熱抵抗体１６３と重なり合う領域に設けられていた。しかし、リーク部１４８は、当該領域の外側に設けられるものとしても良い。ただし、リーク部１４８が、そうした領域に設けられることにより、リーク部１４８の温度制御を適切に行うことができるため好ましい。なお、リーク部１４８は、発熱抵抗体１６３によって加熱可能な、発熱抵抗体１６３の近傍領域に設けられるものとしても良い。
【００９６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態において、制御回路２００は、ＰＩＤ素子２１０とオペアンプ２１１とを組み合わせて構成されていた。しかし、制御回路２００は他の構成を有するものとしても良い。
【００９７】
Ｃ３．変形例３：
上記実施形態において、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０は、第１固体電解質体１３６または第２固体電解質体１５１のそれぞれの両面に、一対の電極１３７，１３８，１５２，１５３が配置されていた。しかし、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０は、第１固体電解質体１３６または第２固体電解質体１５１のそれぞれの片面に、一対の電極１３７，１３８，１５２，１５３が配置されるものとしても良い。さらに、上記実施形態において、酸素ポンプセル１３５の一対の電極１３７，１３８と、酸素濃度検知セル１５０の一対の電極１５２，１５３とは、ガスセンサ素子１２０の長手方向（軸線ＡＸに沿った方向）において、略同位置に配置されていた。しかし、酸素ポンプセル１３５の一対の電極１３７，１３８と、酸素濃度検知セル１５０の一対の電極１５２，１５３とは、長手方向にずれて配置されるものとしても良い。
【００９８】
Ｃ４．変形例４：
上記実施形態では、ガスセンサ１００は、酸素イオンを伝導可能な固体電解質体１３６，１５１を用いることにより、測定対象ガス中の酸素ガスの濃度を検出していた。しかし、ガスセンサ１００は、酸素以外のガスの濃度を検出するものとしても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１１〜１８…第１のスルーホール導体
２１，２２…ヒータ用スルーホール導体
１００，１００Ｂ，１００ａ…ガスセンサ
１０１…プロテクタ
１０１ｃ…導入孔
１０３…外筒
１１０…主体金具
１１０ｃ…貫通孔
１１０ｋ…端部
１１１…段部
１１３…セラミックホルダ
１１３ｃ…貫通孔
１１４…第１粉末充填層
１１５…第２粉末充填層
１１６…金属カップ
１１６ｃ…貫通孔
１１７…加締リング
１２０…ガスセンサ素子
１２０ａ…第１の面
１２０ｂ…第２の面
１２１…ガス検出部
１２５…第１の電極パッド（Ｉｐ電極パッド）
１２６…第２の電極パッド（ＣＯＭ電極パッド）
１２７…第３の電極パッド（Ｖｓ電極パッド）
１２８，１２９…ヒータ用電極パッド
１３０…検出素子
１３１…保護層
１３２…多孔質部
１３５…酸素ポンプセル
１３６…固体電解質体
１３６ａ，１３６ｂ…第１の面、第２の面
１３７…電極
１３７Ｌ…リード部
１３７Ｍ…電極部
１３８…電極
１３８Ｌ…リード部
１３８Ｍ…電極部
１３９…アルミナ層
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１４６…拡散律速部
１４８…リーク部
１５０…酸素濃度検知セル
１５１…固体電解質体
１５１ａ，１５１ｂ…第１の面、第２の面
１５２…電極
１５２Ｌ…リード部
１５２Ｍ…電極部
１５３…電極
１５３Ｌ…リード部
１５３Ｍ…電極部
１５４…アルミナ層
１６０…ヒータ素子
１６１，１６２…第１と第２の絶縁体
１６３…発熱抵抗体
１６４，１６５…ヒータリード部
１７０…セラミックスリーブ
１７０ｃ…軸孔
１８１…セパレータ
１８１ｃ…貫通孔
１８５〜１８６…接続端子
１９０…付勢金具
１９１…グロメット
１９３〜１９７…リード線
２００，２００ａ…制御回路
２１０…ＰＩＤ素子
２１１…オペアンプ
２２１〜２２３…抵抗
２３０…基準電源
２４０…ハイパスフィルタ
２４１…抵抗
２４２…コンデンサ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特定のガスを検出するガスセンサとしては、固体電解質体の外表面に一対の電極を配置したセルを備え、内燃機関の空燃比を測定する酸素センサが知られている。特に、内燃機関の空燃比を全領域にわたって測定するために、排ガス中に含まれる酸素の濃度を検出するガスセンサとしては、２つのセルを、測定室を挟んで積層させた積層型のガスセンサが知られている（下記特許文献１等）。積層型のガスセンサでは、第１のセル（「酸素濃度検知セル」とも呼ぶ）が、測定室における酸素濃度に応じた電圧を外部の制御回路に出力し、第２のセル（「酸素ポンプセル」とも呼ぶ）が、制御回路から入力される電流に応じて測定室内へ酸素を汲み入れ／汲み出しを実行する。
【０００３】
こうした積層型のガスセンサは、下記の特許文献１にも記載されているとおり、通常、酸素濃度検知セルの出力電圧に基づき、酸素ポンプセルへ入力される電流（以後、「ポンプ電流」とも呼ぶ）をフィードバック制御する制御回路によって駆動される。しかし、積層型のガスセンサでは、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セルの出力電圧が、そのポンプ電流の変化に追従せず、タイムラグを生じて変化する場合があった。そして、そのタイムラグが過度に生じたときに、制御回路が発振してしまい、センサ出力が変動して、安定的な測定が困難となり、測定精度が低下してしまう場合があった。
【０００４】
これに対し、特許文献１記載の技術では、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタを制御回路内に設けている。この構成により、制御回路の発振を抑制するとともに、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度セルの出力が大きく影響され、センサ出力が変動してしまうことを抑制している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−２４３７００号公報
【０００６】
このように、従来は、酸素ポンプセル及び酸素濃度検知セルの２つのセルを有する積層型のガスセンサにおいては、特許文献１のような、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタを備える専用の制御回路を準備することが望ましかった。しかし、そうした専用の制御回路を用いる場合には、制御回路に発振が生じにくく、制御回路にハイパスフィルタを備える必要性が低いタイプのガスセンサとの互換性が損なわれる可能性があった。また、制御回路に、ハイパスフィルタを設けるための抵抗やコンデンサを追加する必要があり、コストが上昇してしまう場合があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで、本発明は、フィードバック制御により駆動されるガスセンサにおいて、制御回路における発振抑制のための構成が省略された場合であっても、フィードバック制御に起因する発振を抑制する技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］
測定ガスを導入できる測定室と、
板状の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第１の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室に積層配置され、前記測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を生じる酸素濃度検知セルと、
板状の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第２の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室を挟んで前記酸素濃度検知セルと対向するように前記測定室に積層配置され、前記酸素濃度検知セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、前記測定室内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う酸素ポンプセルと、
内部に前記測定室を有し、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との間に積層され、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層と、
を備えるガスセンサであって、
前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを電気的に接続し、ジルコニアを主成分として形成されたリーク部が、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとの間に積層されると共に、前記絶縁層に隣接する、ガスセンサ。
【００１０】
このガスセンサによれば、２つのセル同士がリーク部によって電気的に導通することにより、酸素ポンプセルの電流変化に対する、酸素濃度検知セルの電圧変化の遅延（位相のずれ）が改善される。従って、酸素濃度検知セルの電圧変化に応じて、酸素ポンプセルの電流を制御する制御回路とセンサ出力とのフィードバック制御において、発振が発生することを抑制できる。即ち、酸素ポンプセルのポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セルの出力電圧が大きく影響されてしまうことが抑制され、センサ出力の変動を抑制できる。なお、本明細書において、「電気的に導通」とは、電子またはイオン、あるいはその両方の移動経路が確保されることを意味する。
【００１１】
さらに、ガスセンサにリーク部を備えているため、抵抗及びコンデンサを用いたハイパスフィルタなどの、フィードバック制御に起因する発振を抑制する構成部を備える専用の制御回路を準備しなくとも、そうした発振を抑制することが可能である。従って、そうした専用の制御回路の必要性が低い、制御回路に発振を生じさせにくいタイプのガスセンサとの互換性を達成することができる。その上、制御回路に、そうした発振抑制のための抵抗やコンデンサなどの構成要素を追加的に設ける必要がなく、製造コストの上昇を抑制することができる。
【００１２】
ところで、上記適用例１のガスセンサでは、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層を、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に積層するとともに、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとを電気的に接続するリーク部を別途設けている。フィードバック制御に発振が発生させることを抑制するためには、２つのセル同士を電気的に導通させればよく、例えば、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に絶縁層を設けることなく、電気的に接続する導通層を積層させて、２つのセル同士を電気的に導通させるものとしても良い。しかしながら、このように導通層を配置して、２つのセル同士を電気的に導通させてしまう構成では、酸素濃度検知セルの出力電圧に、導通層を介して２つのセルの間に流れる電流（「リーク電流」とも呼ぶ）に起因する電圧（「リーク電圧」とも呼ぶ）が大きく重畳されてしまい、ガスセンサの測定精度が低下する虞がある。これに対し、適用例１のガスセンサのように、絶縁層を酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に積層しつつ、別途、一部にリーク部を設ける構成であれば、酸素濃度検知セルの出力電圧にリーク電圧が過度に重畳してしまうことを適切に抑制できる。従って、リーク電流によってガスセンサの測定精度が低下してしまうことを抑制しつつ、フィードバック制御において発振が発生することを抑制できる。
【００１３】
なお、リーク部は、第１固体電解質体と第２固体電解質体とを電気的に接続することで、酸素濃度検知セルの参照電極又は参照電極リードと酸素ポンプセルとを電気的にリークさせる部位、もしくは酸素ポンプセルの外側電極又は外側電極リードと酸素濃度検知セルとを電気的にリークさせる部位であれば良い。また、具体的に、リーク部は、酸素濃度検知セルと酸素ポンプセルとの間に介在するように配置されている。
【００１４】
［適用例２］
適用例１記載のガスセンサであって、さらに、
前記第２固体電解質体に積層され、内部に発熱部が埋設された板状のヒータを備え、
前記リーク部は、前記ガスセンサの積層方向に沿って見たときに、前記発熱部と少なくとも一部が重なる領域に設けられている、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部が、発熱部による加熱領域に重なるように配置されるため、リーク部の温度が適切に制御され、リーク部を構成するジルコニアの導電性を良好に維持することができる。従って、より確実に、フィードバック制御の発振を抑制でき
、センサ出力が変動することを抑制できる。
【００１５】
［適用例３］
適用例１または適用例２記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とに挟まれた領域において、前記絶縁層を前記ガスセンサの積層方向に貫通して形成されており、
前記絶縁層の前記積層方向に垂直な切断面のうちの少なくとも一つの切断面において、前記リーク部の面積が、前記絶縁層と前記リーク部の面積の合計に対して、５０％未満である、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部の面積を、絶縁層とリーク部の面積の合計に対して、５０％未満とする（つまり、リーク部の面積が絶縁層の面積よりも少なくする）ことにより、絶縁層においてリーク部が占める割合を適切に調整することができる。従って、リーク電流によって、フィードバック制御において発振が発生することが十分に抑制される一方で、酸素濃度検知セルの出力電圧に重畳するリーク電圧が適切に抑制され、リーク電圧に起因するガスセンサの測定精度の低下が抑制される。なお、リーク部は、絶縁層の積層方向に垂直な任意の切断面のうち、１つの切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良く、より好ましくは、複数の切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良い。更に好ましくは、リーク部は、全ての切断面において、上記範囲内の面積を有していれば良い。
【００１６】
［適用例４］
適用例１〜３のいずれか一つに記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検知セルと、前記絶縁層とによって外表面が被覆されている、ガスセンサ。
このガスセンサによれば、リーク部の外表面が、排ガスに曝されることを抑制できるため、リーク部の外表面にカーボン（煤）や水滴が付着してしまうことを抑制できる。従って、リーク部に対するカーボンの付着により、ガスセンサにブラックニングが発生したり、リーク部に対する水滴の付着により、ガスセンサにクラックが発生することによって、センサが故障してしまうことが抑制される。
【００１７】
なお、本発明は、種々の形態で実現することが可能であり、例えば、ガスセンサや、そのガスセンサを備えるガス検出装置、そのガス検出装置を搭載する車両等の形態で実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ガスセンサの外観を示す概略図。
【図２】ガスセンサの内部構造を示す概略断面図。
【図３】ガスセンサ素子の構成を示す概略斜視図。
【図４】ガスセンサ素子を分解して示す概略斜視図。
【図５】ガスセンサの制御方法を説明するための模式図。
【図６】ガスセンサの制御回路の構成の一例を示す概略図。
【図７】本発明の発明者による実験結果を示す説明図。
【図８】参考例としてのガスセンサの構成を示す概略図。
【図９】参考例のガスセンサに接続される制御回路の構成の一例を示す概略図。
【図１０】ガスセンサの他の構成例を説明するための概略図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
Ａ．実施形態：
図１は本発明の一実施形態としてのガスセンサ１００の外観を示す概略図である。図１には、ガスセンサ１００の仮想中心軸ＡＸ（以下、単に「軸線ＡＸ」とも呼ぶ）を一点鎖線で図示してある。このガスセンサ１００は、内燃機関の排気管などに装着され、測定ガスである排気ガス中の酸素濃度を、リッチ領域からリーン領域に渡ってリニアに検知する、いわゆる全領域空燃比センサである。
【００２０】
ガスセンサ１００は、軸線ＡＸ方向に沿って延伸された形状を有している。ガスセンサ１００は、その先端側（紙面下側）が排気管の内部に挿入され、後端側（紙面上側）が排気管の外部に突出するように排気管の外表面に固定的に取り付けられる。なお、図１には、ガスセンサ１００が取り付けられたときの排気管の外表面の位置が二点鎖線ＰＳで図示してある。
【００２１】
ガスセンサ１００は、自身を排気管に対して固定的に取り付けるための主体金具１１０を備える。主体金具１１０は、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１１０ｃ（図２参照）を有する筒状の金属部材である。主体金具１１０の外側には、排気管に設けられたガスセンサ１００の取り付けのためのネジ溝に螺合するねじ部１１０ａや、ガスセンサ１００の取り付けの際にスパナやレンチなどの工具を係合させるための工具係合部１１０ｂが形成されている。
【００２２】
主体金具１１０の先端側には、二重の有底筒状のプロテクタ１０１が、レーザ溶接により固設されている。二重のプロテクタ１０１には、ガスセンサ１００を排気管に取り付けたときに、排ガスを内部に導入できるように、内側および外側の壁部のそれぞれに、複数の導入孔１０１ｃが形成されている。
【００２３】
主体金具１１０の後端側には、筒状の金属製の外筒１０３がレーザ溶接により固設されている。ガスセンサ１００の内部には、外筒１０３の後端側端部から、ガスセンサ１００と外部の制御回路２００（図５参照）とを電気的に接続するための３本のセンサ用リード線１９３，１９４，１９５と、２本のヒータ用リード線１９６，１９７とが挿通されている。なお、外筒１０３の後端側端部には、外筒１０３の内部を封止するためのフッ素ゴム製のグロメット１９１が取り付けられており、５種類のリード線１９３〜１９７は、グロメット１９１を貫通して、外筒１０３の内部に挿入されている。
【００２４】
図２は、図１と同様な方向から見たときのガスセンサ１００の内部構造を示す概略断面である。図２には、図１と同様に、ガスセンサ１００の仮想中心軸ＡＸが一点鎖線で図示してあるとともに、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときの、排気管の外表面の位置が二点鎖線ＰＳで図示してある。
【００２５】
ガスセンサ１００は、酸素濃度に応じた信号を出力するガスセンサ素子１２０を備える。ガスセンサ素子１２０は、細長形状の板部材を積層した積層構造を有しており、仮想中心軸ＡＸに垂直な断面が略矩形形状となる四角柱形状を有している（詳細は後述）。ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に固定的に保持されており、ガスセンサ１００の内部において、軸線ＡＸ方向に沿って収容される。なお、図２では、ガスセンサ素子１２０の積層方向に沿って互いに対向し合う第１と第２の面１２０ａ，１２０ｂがそれぞれ紙面左側および紙面右側に向いている。
【００２６】
ガスセンサ素子１２０の先端側（紙面下側）の端部には、排気ガス中の酸素濃度を検出可能に構成されたガス検出部１２１が設けられている。ガス検出部１２１は、プロテクタ１０１の内部に収容・配置されている。これによって、ガスセンサ１００が排気管に取り付けられたときに、ガス検出部１２１は、導入孔１０１ｃから導入された排ガスに曝される。
【００２７】
ここで、主体金具１１０の後端側（紙面上側）の外筒１０３内には、軸線ＡＸ方向に沿った貫通孔１８１ｃを有する筒状の絶縁部材であるセパレータ１８１が固定的に保持されている。具体的には、セパレータ１８１は、外周に配置された略筒状の付勢金具１９０によって、グロメット１９１に向かって付勢された状態で、外筒１０３内に保持されている。ガスセンサ素子１２０の後端側の端部は、そのセパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内に収容されている。
【００２８】
ガスセンサ素子１２０の後端部には、第１の面１２０ａ側に、３つのセンサ用の電極パッド１２５、１２６、１２７が紙面奥行き方向に並列に配列され、第２の面１２０ｂ側に、２つのヒータ用の電極パッド１２８，１２９が紙面奥行き方向に並列に配列されている。さらに、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内には、３つのセンサ用の接続端子１８２，１８３，１８４と、２つのヒータ用の接続端子１８５，１８６とが、ガスセンサ素子１２０の対応する各電極パッド１２５〜１２９と接触するように設けられている。なお、各センサ用接続端子１８２〜１８６は、グロメット１９１を介してガスセンサ１００内に挿通された５本のリード線１９３〜１９７に電気的に接続されている。
【００２９】
図２の紙面左側には、ガスセンサ素子１２０の各電極パッド１２５〜１２９と、セパレータ１８１の貫通孔１８１ｃ内の接続端子１８２〜１８６との接触状態を模式的に図示してある。セパレータ１８１に設けられた各接続端子１８５〜１８６は、ガスセンサ１００の先端側から後端側に向かって折り曲げられた板バネ構造を有しており、その弾性力によって、対応する各電極パッド１２５〜１２９を押圧する。なお、ガスセンサ素子１２０の各電極パッド１２５〜１２９の詳細については後述する。
【００３０】
ガスセンサ素子１２０は、主体金具１１０の筒内における以下のような構成により、主体金具１１０に固定的に保持されている。主体金具１１０の貫通孔１１０ｃの先端側には、径方向内側に突出する段部１１１が形成されている。そして、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、底面に貫通孔１１６ｃを有する金属カップ１１６が、その底面の外周端部が段部１１１と係合した状態で配置される。
【００３１】
金属カップ１１６の底面側の内部空間には、セラミックホルダ１１３が配置される。セラミックホルダ１１３は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）によって構成され、中央に、ガスセンサ素子１２０を挿通するための矩形状の貫通孔１１３ｃが形成されている。
【００３２】
金属カップ１１６の内部には、金属カップ１１６の貫通孔１１６ｃと、セラミックホルダ１１３の貫通孔１１３ｃとに挿通されたガスセンサ素子１２０を気密に保持するための第１粉末充填層１１４（タルク）が形成されている。第１粉末充填層１１４は、セラミックホルダ１１３の上に滑石粉末を充填することにより形成される。このように、ガスセンサ素子１２０は、金属カップ１１６と、セラミックホルダ１１３と、第１粉末充填層１１４と、一体化された状態で、主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内に保持される。
【００３３】
主体金具１１０の貫通孔１１０ｃ内には、第１粉末充填層１１４の上に、さらに、主体金具１１０の後端側とガスセンサ素子１２０のガス検出部１２１との間の気密性を確保するための第２粉末充填層１１５（タルク）が、滑石粉末を充填することにより形成されている。そして、第２粉末充填層１１５の上にはセラミックスリーブ１７０が配置されている。
【００３４】
セラミックスリーブ１７０は、ガスセンサ素子１２０を挿通するための、軸線ＡＸ方向に沿った矩形状の軸孔１７０ｃを有する筒状体である。セラミックスリーブ１７０は、アルミナによって構成することができる。セラミックスリーブ１７０は、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋを径方向内側に屈曲させて加締めることにより、第２粉末充填層１１５側に押圧された状態で、主体金具１１０に固定される。なお、主体金具１１０の後端側の端部１１０ｋとセラミックスリーブ１７０との間には、加締リング１１７が配置される。
【００３５】
図３は、ガスセンサ素子１２０の構成を示す概略斜視図である。図３には、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を紙面上側とし、第２の面１２０ｂ側を紙面下側として図示してある。また、軸線ＡＸ方向（図１，図２）を紙面左右方向とし、先端側を紙面左側とし、後端側を紙面右側として図示してある。ガスセンサ素子１２０は、板状の検出素子１３０（紙面上側）と、板状のヒータ素子１６０（紙面下側）とが積層されて焼成一体化されることによって構成されている。
【００３６】
なお、図２においても説明したように、ガスセンサ素子１２０の先端側には、ガス検出部１２１が形成されている。そして、後端側の第１の面１２０ａ側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が配列されている。なお、図示はされていないが、後端側の第２の面１２０ｂ側には、２つの電極パッド１２８，１２９が配列されている。
【００３７】
図４は、ガスセンサ素子１２０を分解して示す概略斜視図である。図４には、積層方向（紙面上下方向）に分解されたガスセンサ素子１２０の各構成部が、紙面左側を先端側とし、紙面右側を後端側として図示してある。なお、図中の二点鎖線は、二点鎖線で結ばれた各構成部が電気的に導通していることを示している。ガスセンサ１００の検出素子１３０は、保護層１３１と、酸素ポンプセル１３５と、スペーサ１４５と、酸素濃度検知セル１５０とが、第１の面１２０ａ側から、この順序で積層されている。
【００３８】
保護層１３１は、アルミナを主成分として形成された板状部材であり、ガスセンサ素子１２０の第１の面１２０ａ側を保護する。保護層１３１の先端側には、保護層１３１の積層方向（紙面上下方向）に通気性を有する多孔質部１３２が形成されている。多孔質部１３２は、ガスセンサ素子１２０を、その積層方向に沿って見たときに、後述する電極部１３７Ｍと重なる領域に形成されている。多孔質部１３２は、ガス検出部１２１の排ガスの汲み入れ／汲み出しのためのガス流路部として機能する。
【００３９】
保護層１３１の外側の面１３１ａの後端側には、３つの電極パッド１２５〜１２７が、ガスセンサ素子１２０の幅方向（紙面奥行き方向）に並列に配列される。そして、保護層１３１には、第１〜第３のスルーホール導体１１〜１３が、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７に対応させて、貫通形成されている。
【００４０】
酸素ポンプセル１３５は、固体電解質体１３６と、固体電解質体１３６を内部に配置するアルミナ層１３９と、一対の電極１３７，１３８とを備える。固体電解質体１３６は、ジルコニア（ＺｒＯ２）を主成分として形成されており、一対の電極部１３７Ｍ，１３８Ｍよりも若干大きい面積を有するように形成された板状部材である。アルミナ層１３９は、固体電解質体１３６の外周を囲み、その周囲を覆うように設けられた、保護層１３１と略同様なサイズを有する板状部材である。アルミナ層１３９の後端側には、保護層１３１に形成された第２と第３のスルーホール導体１２，１３と電気的に導通する第４と第５のスルーホール導体１４，１５が貫通形成されている。なお、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６が、特許請求の範囲における「第２固体電解質体」に相当する。
【００４１】
２つの電極１３７，１３８はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成された、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍと、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌとを有している。電極部１３７Ｍ，１３８Ｍはそれぞれ、固体電解質体１３６の第１の面１３６ａ（紙面上側の面）と、第２の面１３６ｂ（紙面下側の面）にそれぞれ配置されている。このうち、第２の面１３６ｂ側に配置された電極部１３８Ｍは、後述するガス検出室１４５ｃに露出する。一方、第１の面１３６ａ側に配置された電極部１３８Ｍは、ガスセンサ１００が排気管に装着されたときに、保護層１３１に設けられた多孔質部１３２を介して排気ガスに晒される。なお、電極１３８が、特許請求の範囲における「第２の電極」に相当する。
【００４２】
また、リード部１３７Ｌ，１３８Ｌはそれぞれ、電極部１３７Ｍ，１３８Ｍから後端側へと延伸している部位である。このうち、第１の面１３６ａ側に配置された電極１３７のリード部１３７Ｌは、保護層１３１の第１のスルーホール導体１１を介して、第１の電極パッド１２５と電気的に導通する。一方、第２の面１３６ｂ側に配置された電極１３８のリード部１３８Ｌは、固体電解質体１３６に設けられた第４のスルーホール導体１４および保護層１３１に設けられた第２のスルーホール導体１２を介して、第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。
【００４３】
スペーサ１４５は、アルミナを主成分として形成された、酸素ポンプセル１３５のアルミナ層１３９と略同様なサイズを有する板状の絶縁部材である。スペーサ１４５の先端側には、開口部が形成されている。この開口部は、スペーサ１４５が、酸素ポンプセル１３５と、酸素濃度検知セル１５０とに狭持されたときに、測定ガスである排ガスが導入されるガス検出室１４５ｃを構成する。なお、スペーサ１４５は、特許請求の範囲における「絶縁層」に相当し、ガス検出室１４５ｃは、特許請求の範囲における「測定室」に相当する。
【００４４】
スペーサ１４５において、開口部を挟んで、スペーサ１４５の幅方向に互いに対向し合う２つの側壁部には、拡散律速部１４６が形成されている。拡散律速部１４６は、通気性を有する多孔質のアルミナによって構成されている。ガスセンサ素子１２０では、拡散律速部１４６の通気度に応じた量の排ガスが、ガス検出室１４５ｃに導入される。即ち、拡散律速部１４６は、ガス検出部１２１のガス導入部として機能する。
【００４５】
スペーサ１４５の後端側には、酸素ポンプセル１３５の電極１３８のリード部１３８Ｌと電気的に導通する第６のスルーホール導体１６が貫通形成されている。また、第６のスルーホール導体１６と隣り合う位置には、酸素ポンプセル１３５のアルミナ層１３９に設けられた第５のスルーホール導体１５と電気的に導通する第７のスルーホール導体１７が貫通形成されている。
【００４６】
スペーサ１４５は、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを絶縁する絶縁層として機能する。なお、スペーサ１４５には、スペーサ１４５を厚み方向に貫通して、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを電気的に接続するリーク部１４８が設けられている。なお、リーク部１４５の詳細は後述する。
【００４７】
酸素濃度検知セル１５０は、固体電解質体１５１と、固体電解質体１５１を内部に配置するアルミナ層１５４と、一対の電極１５２，１５３とを備える。固体電解質体１５１は、ジルコニアを主体に形成された、一対の電極部１５２Ｍ，１５３Ｍよりも若干大きな面積を有するように形成された板状部材である。アルミナ層１５４は、固体電解質体１５１の外周を囲み、その周囲を覆うように形成され、スペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材である。アルミナ層１５４の後端側には、第８のスルーホール導体１８が貫通形成されている。第８のスルーホール導体１８は、スペーサ１４５に形成された第７のスルーホール導体１７と電気的に導通する。なお、酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１は、特許請求の範囲における「第１固体電解質体」に相当する。
【００４８】
２つの電極１５２，１５３はそれぞれ、白金（Ｐｔ）を主成分として多孔質に構成された、電極部１５２Ｍ，１５３Ｍと、リード部１５２Ｌ，１５３Ｌとを有する。電極部１５２Ｍ，１５３Ｍは、固体電解質体１５１の第１の面１５１ａ（紙面上側の面）と第２の面１５１ｂ（紙面下側の面）とにそれぞれ配置されている。このうち、第１の面１５１ａ側に配置された電極部１５２Ｍは、ガス検出室１４５ｃに露出する。なお、電極１５２が、特許請求の範囲における「第１の電極」に相当する。
【００４９】
なお、第１の面１５１ａ側に配置された電極１５２のリード部１５２Ｌは、スペーサ１４５に設けられた第６のスルーホール導体１６を介して、酸素ポンプセル１３５の電極１３８および第２の電極パッド１２６と電気的に導通する。一方、第２の面１５０ｂ側に配置された電極１５３のリード部１５３Ｌは、固体電解質体１５１に設けられた第８のスルーホール導体１８を介して、第３の電極パッド１２７と電気的に導通する。
【００５０】
ヒータ素子１６０は、第１と第２の絶縁体１６１，１６２と、発熱抵抗体１６３と、第１と第２のヒータリード部１６４，１６５と、を備える。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、アルミナによって構成された、検出素子１３０と同様なサイズを有する板状部材である。第１と第２の絶縁体１６１，１６２は、発熱抵抗体１６３及びヒータリード部１６４，１６５を狭持する。
【００５１】
発熱抵抗体１６３は、白金を主成分とする発熱線によって構成され、蛇行形状を有する発熱体である。２つのヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、発熱抵抗体１６３の両端に接続されており、発熱抵抗体１６３から後端側に向かって延伸している。なお、ヒータ素子１６０が、特許請求の範囲における「ヒータ」に相当し、発熱抵抗体１６３が、特許請求の範囲における「発熱部」に相当する。
【００５２】
ここで、第２の絶縁体１６２の外側の面１６２ｂの後端側には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９が、ヒータ素子１６０の幅方向に、並列に配列されている。そして、第２の絶縁体１６２には、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９に対応する第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２が貫通形成されている。発熱抵抗体１６３に接続された第１と第２のヒータリード部１６４，１６５はそれぞれ、第１と第２のヒータ用スルーホール導体２１，２２を介して、第１と第２のヒータ用電極パッド１２８，１２９と電気的に導通する。
【００５３】
ヒータ素子１６０は、ガスセンサ１００の駆動の際には、外部のヒータ制御回路（図示せず）によって、発熱温度が制御される。そして、検出素子１３０を、数百℃（例えば、７００〜８００℃）に加熱して酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを活性化させる。
【００５４】
リーク部１４８は、スペーサ１４５において、２つの固体電解質体１３６，１５１および電極１３８，１５２（より具体的には、それらのリード部１３８Ｌ,１５２Ｌ）に直接的に接するように、スペーサ１４５を積層方向に貫通して形成されている。より具体的には、リーク部１４８は、ガス検出室１４５ｃを構成する開口部から後端側に離間した位置において、その外周表面がスペーサ１４５に被覆されるとともに、上面および底面が、対応する各セル１３５，１５０に接触可能なように、スペーサ１４５に形成されている。
【００５５】
リーク部１４８は、ジルコニアを主成分として構成される。ここで、本明細書において、「ジルコニアを主成分とする」とは、リーク部１４８におけるジルコニアの含有量比率が５０％を超えることを意味する。なお、リーク部１４８は、ジルコニアの含有量比率が８０〜１００％となるように形成されることが、より好ましい。また、リーク部１４８は、スペーサ１４５との間の接合性を向上させるために、０〜２０％程度の含有量比率でアルミナや、スピネル、チタニア（ＴｉＯ２）等の絶縁性セラミックが混合されていることが好ましい。
【００５６】
ここで、本実施形態におけるガスセンサ１００は、制御回路２００（後述）によって、フィードバック制御される。その際に、リーク部１４８は、制御回路２００とセンサ出力とのフィードバック制御における発振の発生が抑制されるように、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０との間の電子および／又は酸素イオンの移動経路として機能する。リーク部１４８がフィードバック制御の発振を抑制するメカニズムについての詳細は後述する。
【００５７】
ところで、本実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、ガスセンサ素子１２０を積層方向に沿って見たときに、その少なくとも一部が、発熱抵抗体１６３と重なるように配置されている。具体的には、リーク部１４８は、図４において一点鎖線で示すように、リーク部１４８を積層方向に沿って発熱抵抗体１６３に仮想的に投影したときに、その投影像の少なくとも一部が、発熱抵抗体１６３の上に位置するように形成されている。これによって、リーク部１４８の温度が適切に制御され、リーク部１４８を構成するジルコニアの導電性を良好に維持することができる。よって、確実に、フィードバック制御の発振を抑制でき、センサ出力が変動することを抑制できる。
【００５８】
さらに、本実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、外表面が排ガスに曝されないように、外周表面全体がスペーサ１４５によって被覆される位置に形成されている。これによって、ガスセンサ１００の駆動中に、高温となったリーク部１４８の外表面に排ガス中の水分が付着して、リーク部１４８にクラックが生じてしまうことが抑制できる。また、リーク部１４８の外表面にカーボンが付着して、主体金具１１０等を介して外部と電気的に導通してしまうことを抑制でき、リーク部１４８のジルコニアにブラックニング（黒化現象）の発生を抑制できる。
【００５９】
また、リーク部１４８は、積層方向に垂直な任意の切断面における面積が、当該切断面におけるスペーサ１４５とリーク部１４８の面積の合計に対して、５０％未満となるように形成されることが好ましい。スペーサ１４５におけるリーク部１４８の面積比率が上記の値以上となる場合には、リーク部１４８に流れる電流（後述）が過度に大きくなってしまう。即ち、ガスセンサ素子１２０におけるスペーサ１４５の絶縁層としての機能が損なわれ、ガスセンサ１００の測定精度が低下する虞がある。なお、この場合に、スペーサ１４５の面積は、ガス検出室１４５ｃを形成する開口部を除いた面積である。
【００６０】
図５は、ガスセンサ１００の制御方法を説明するための模式図である。図５には、ガスセンサ素子１２０のうちの酸素ポンプセル１３５と、スペーサ１４５と、酸素濃度検知セル１５０と、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７のみを模式的に図示してある。また、図５には、第１〜第３の電極パッド１２５〜１２７を介して、酸素ポンプセル１３５および酸素濃度検知セル１５０に電気的に接続される、ガスセンサ１００の外部に設けられた制御回路２００を図示してある。
【００６１】
上述したように、ガスセンサ１００のガスセンサ素子１２０では、スペーサ１４５が２つのセル１３５，１５０に狭持されたときに、スペーサ１４５の内部にガス検出室１４５ｃが形成される。酸素ポンプセル１３５の電極１３８は、電極部１３８Ｍが、ガス検出室１４５ｃに面するように配置され、ガス検出室１４５ｃの壁面の一部を構成する。
【００６２】
同様に、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２は、電極部１５２Ｍがガス検出室１４５ｃに面するように配置され、ガス検出室１４５ｃの壁面の一部を構成する。なお、ガス検出室１４５ｃには、スペーサ１４５に設けられた拡散律速部１４６（図４）を介して、測定ガスである排ガスが導入される。
【００６３】
酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６では、電極１３７，１３８の間に電位差が生じたときに、その電位差に応じて、積層方向に酸素イオンが伝導する。ガスセンサ１００では、制御回路２００から酸素ポンプセル１３５に電流を流すことにより、固体電解質体１３６を介したガス検出室１４５ｃへの酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う。なお、酸素ポンプセル１３５は、「Ｉｐセル」とも呼ばれる。
【００６４】
酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１では、第１の面１５１ａ側と第２の面１５１ｂ側との間に酸素の濃度差が生じたときに、その濃度差に応じて、起電力が生じる。ガスセンサ１００では、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２，１５３間の起電力を検出し、電極１５３の電極部１５３Ｍにおける酸素濃度を基準として、ガス検出室１４５ｃの酸素濃度を検出する。酸素濃度検知セル１５０は、「起電力セル」または「Ｖｓセル」とも呼ばれる。
【００６５】
ここで、本明細書では、酸素ポンプセル１３５の電極１３７に接続される第１の電極パッド１２５を「Ｉｐ電極パッド１２５」とも呼ぶ。また、酸素ポンプセル１３５の電極１３８と、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２と接続される第２の電極パッド１２６を「ＣＯＭ電極パッド１２６」とも呼ぶ。そして、酸素濃度検知セル１５０の電極１５３と接続される第３の電極パッド１２７を「Ｖｓ電極パッド１２７」とも呼ぶ。
【００６６】
制御回路２００は、ガスセンサ素子１２０に対して、以下のようなフィードバック制御を行う。制御回路２００は、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓを、ＣＯＭ電極パッド１２６とＶｓ電極パッド１２７とを介して検出する。そして、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が所定の基準値となるように、Ｉｐ電極パッド１２５とＣＯＭ電極パッド１２６を介して、酸素ポンプセル１３５にポンプ電流Ｉｐを流してガス検出室１４５ｃにおける酸素濃度を調整する。制御回路２００は、酸素ポンプセル１３５に流したポンプ電流の電流値に基づく信号をガスセンサ１００による検出結果として出力する。
【００６７】
なお、前記したとおり、ガスセンサ１００の駆動の際には、酸素濃度検知セル１５０の電極１５３における電極部１５３Ｍは、基準となる酸素濃度を有する閉塞された酸素基準室として機能する。そこで、ガスセンサ１００では、その起動時に、電極部１５３Ｍにおける酸素濃度が所定の基準値となるように、制御回路２００が、酸素濃度検知セル１５０に微少電流（例えば１５μＡ程度の電流）を流し、電極部１５３Ｍ内に酸素を導入する。
【００６８】
ここで、ガスセンサ１００の駆動の際の、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧の目標値は、ガス検出室１４５ｃ内の排ガスの空燃比が理論空燃比となる値（例えば、４５０ｍＶ程度）である。そして、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも低いとき（リッチなとき）に、酸素ポンプセル１３５に対して、ガス検出室１４５ｃに酸素を汲み入れる方向のポンプ電流が入力される。また、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも高いとき（リーンなとき）には、酸素ポンプセル１３５に対して、ガス検出室１４５ｃから酸素を汲み出す方向のポンプ電流が入力される。
【００６９】
図６は、ガスセンサ１００の制御回路２００の構成の一例を示す概略図である。制御回路２００は、ＰＩＤ（比例積分微分）素子２１０と、オペアンプ２１１と、第１〜第３の抵抗２２１〜２２３と、基準電源２３０とを備える。ＰＩＤ素子２１０は、一方の入力端子がＶｓ電極パッド１２７に接続され、他方の入力端子が基準電源２３０に接続されている。そして、ＰＩＤ素子２１０の出力端子は、第１と第２の抵抗２２１，２２２を介してＣＯＭ電極パッド１２６に接続されるとともに、第２の抵抗２２２を介してオペアンプ２１１の一方の入力端子に接続されている。
【００７０】
オペアンプ２１１は、一方の入力端子には、前記したとおり、第１または第２の抵抗２２１，２２２を介してＣＯＭ電極パッド１２６と、ＰＩＤ素子２１０とが接続され、他方の入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆ０が印加されている。オペアンプ２１１の出力端子は第３の抵抗２２３を介して、Ｉｐ電極パッド１２５に接続されている。
【００７１】
この制御回路２００では、基準電源２３０が出力する基準電圧Ｖｒｅｆ１と酸素濃度検知セル１５０が出力する電圧Ｖｓとの差に応じた信号が、ＰＩＤ素子２１０からオペアンプ２１１に出力される。そして、ＰＩＤ素子２１０の出力信号に応じた電流が、ポンプ電流として、オペアンプ２１１から酸素ポンプセル１３５へと入力される。
【００７２】
ところで、本実施形態のガスセンサ１００のように、酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとが積層された従来の積層型のガスセンサでは、制御回路によって、上述したようなフィードバック制御が行われたときに、当該制御回路に発振が生じてしまう場合があった。この理由を、以下に説明する。
【００７３】
積層型のガスセンサでは、酸素濃度検知セルの出力電圧が目標値となるように、酸素ポンプセルによって、ガス検出室への酸素の汲み入れ／汲み出しが行われた後に、酸素濃度検知セルの出力電圧が変化するまでにはタイムラグが生じる場合がある。これは、ガス検出室において、酸素ポンプセルと酸素濃度検知セルとの間を酸素分子が移動するのに時間がかかるためである。
【００７４】
こうしたタイムラグが生じると、酸素濃度検知セルの電圧が目標値に到達する前に、再び、酸素ポンプセルのポンプ電流が、その目標値に到達する前の酸素濃度検知セルの電圧に基づいて変化してしまうことになる。従って、タイムラグが過度に大きくなった場合には、酸素濃度検知セルの出力電圧が収束せず、制御回路に発振が生じてしまう。
【００７５】
これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０との間にリーク部１４８を設けられている。このリーク部１４８によって、それら２つのセル１３５，１５０が電気的に導通し、そうしたタイムラグの発生が抑制される。具体的には、以下の通りである。
【００７６】
ここで、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも低い状態を想定する。このときには、酸素ポンプセル１３５によってガス検出室１４５ｃに酸素が汲み入れられる。しかし、酸素濃度検知セル１５０の電極１５２は、汲み入れられた酸素が電極１５２に到達するまでの間は、酸素濃度が低いままである。
【００７７】
しかし、本実施形態のガスセンサ１００では、ポンプ電流Ｉｐが変化したときに、酸素ポンプセル１３５の外側の電極１３７と酸素濃度検知セル１５０のガス検出室１４５ｃ側の電極１５２との間において、リーク部１４８を介して、電気的なやりとりが行われる。即ち、ポンプ電流Ｉｐが変化したときに、そのポンプ電流Ｉｐの一部が、リーク部１４８を介して、酸素濃度検知セル１５０へと流れ（リークし）、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓが、目標値に近づくように変化する。
【００７８】
このように、本実施形態のガスセンサ１００では、酸素ポンプセル１３５における電気的な変化が、リーク部１４８介して、酸素濃度検知セル１５０に伝達され、酸素濃度検知セル１５０における酸素濃度の変化の遅れが補償される。これによって、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流Ｉｐが変化したときに、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が目標値にリニアに到達することが促進され、上述したタイムラグの発生が抑制される。これは、ガス検出室１４５ｃにおける排ガスの空燃比が理論空燃比よりも高く、酸素ポンプセル１３５によってガス検出室１４５ｃから酸素が汲みだされる場合も同様である。
【００７９】
図７は、本発明の発明者による実験結果を示す説明図である。本発明の発明者は、実施例として、本実施形態のガスセンサ１００についての性能評価を以下のように行った。本発明の発明者は、酸素濃度検知セル１５０に、所定の範囲の電圧変化を外乱として周期的に与えた。そして、外乱によって変化したポンプ電流ΔＩｐに対する、外乱によって変化した酸素濃度検知セル１５０の出力電圧ΔＶｓの割合をセンサ利得として計測し、ポンプ電流ΔＩｐの位相に対する出力電圧ΔＶｓの位相のずれをセンサ位相として計測した。さらに、制御回路２００に入力される出力電圧ΔＶｓに対して制御回路２００から出力されるポンプ電流ΔＩｐの割合を制御回路利得として計測し、制御回路２００に入力される出力電圧ΔＶｓに対する制御回路２００から出力されるポンプ電流ΔＩｐの位相のずれを制御回路位相として計測した。そして、センサ利得と制御回路利得との合計を一巡伝達利得とし、センサ位相と制御回路位相との合計を一巡伝達位相とした。
【００８０】
図７のグラフは、横軸を外乱の周波数とし、紙面左側の縦軸を一巡伝達利得（ｄＢ）とし、紙面右側の縦軸を一巡伝達位相（ｄｅｇ）として、計測結果をプロットしたものである。なお、図７のグラフには、参考例として、以下に説明するガスセンサ１００ａと制御回路２００ａとを用いて行った同様な性能評価における測定結果もプロットしてある。
【００８１】
図８は、参考例としてのガスセンサ１００ａの構成を示す概略図である。図８は、リーク部１４８が設けられていない点と、制御回路２００に換えて制御回路２００ａが設けられている点以外は、図５とほぼ同じである。参考例のガスセンサ１００ａのリーク部１４８以外の他の構成は、本実施形態のガスセンサ１００と同様である。
【００８２】
図９は、参考例のガスセンサ１００ａに接続される制御回路２００ａの構成の一例を示
す概略図である。図９は、ハイパスフィルタ２４０が設けられている点以外は、図６とほぼ同じである。制御回路２００ａは、ガスセンサ１００ａに対して、本実施形態のガスセンサ１００に用いられる制御回路２００と同様なフィードバック制御を行う。そして、その際に、自身が備えるハイパスフィルタ２４０によって、発振の発生を抑制する。
【００８３】
ハイパスフィルタ２４０は、互いに直列に接続された、抵抗２４１と、コンデンサ２４２とを備える。ハイパスフィルタ２４０は、抵抗２４１側がＶｓ電極パッド１２７に接続され、コンデンサ２４２側がＩｐ電極パッド１２５に接続されている。このハイパスフィルタ２４０は、酸素ポンプセル１３５におけるポンプ電流の流れの向きが変わったときに、所定量の電流だけを通す。制御回路２００ａは、このハイパスフィルタ２４０に流れる所定量の電流によって、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流の変化に対する酸素濃度検知セル１５０の電圧変化の遅延を改善することができる。従って、制御回路２００ａにおいて発振が生じてしまうことが抑制される。
【００８４】
図７のグラフにおいて、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相が−１８０（ｄｅｇ）以下の値を示した場合には、制御回路に発振が生じてしまう。そして、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときの一巡伝達位相の値が−１８０（ｄｅｇ）より大きいほど、発振が抑制される。
【００８５】
ここで、本発明者が行った性能評価によれば、以下のことがわかる。参考例のガスセンサ１００ａと制御回路２００ａとを組み合わせた場合には、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相がほぼ−１１０（ｄｅｇ）となった（図７）。即ち、参考例のガスセンサ１００ａでは、ハイパスフィルタ２４０を有する制御回路２００ａによって、発振が抑制されている。
【００８６】
これに対して、本実施形態のガスセンサ１００では、一巡伝達利得が０（ｄＢ）のときに、一巡伝達位相がほぼ−１００（ｄｅｇ）となった。このように、本実施形態のガスセンサ１００では、制御回路２００がハイパスフィルタ２４０のような発振抑制機構を有していない場合であっても、制御回路２００における発振が抑制されている。これは、リーク部１４８が、制御回路２００ａのハイパスフィルタ２４０と同様な、発振抑制機構として機能したためである。
【００８７】
このように、本実施形態のガスセンサ１００によれば、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを接続するリーク部１４８を設けることにより、フィードバック制御において発振が生じることが抑制される。従って、酸素ポンプセル１３５のポンプ電流を変化させたときに、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧が、大きく影響されることが抑制され、センサ出力の変動が抑制されている。
【００８８】
さらに、本実施形態のガスセンサ１００であれば、リーク部１４８を備えているため、参考例の制御回路２００ａの、抵抗２４１及びコンデンサ２４２を用いたハイパスフィルタ２４０のように、発振を抑制するための構成部を備える専用の制御回路２００ａを用いなくとも良い。従って、制御回路に発振を生じさせにくく、制御回路にハイパスフィルタ２４０を設ける必要性が低いタイプのガスセンサとの互換性を確保することができる。
【００８９】
また、従来は、制御回路に発振が生じやすいタイプのガスセンサは、参考例の制御回路２００ａのように、発振を抑制するための構成部を備える専用の制御回路を用いることが望ましかった。しかし、本実施形態のガスセンサ１００であれば、接続される制御回路において、そうした発振を抑制するための構成部を省略することが可能である。従って、制御回路に、そうした構成部を設けることを省略できるため、その分のコストを削減することが可能である。
【００９０】
その上、本実施形態のガスセンサ１００には、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５とを絶縁するスペーサ１４５を、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間に積層するとともに、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５とを電気的に接続するリーク部１４８を別途設けている。フィードバック制御において発振が発生することを抑制するためには、２つのセル１５０、１３５同士が電気的に導通すれば良く、例えば、酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間にスペーサ１４５を設けることなく、電気的に接続する導通層を積層させて、２つのセル１５０、１３５同士が電気的に導通する構成としても良い。しかしながら、この導通層を配置してしまうと、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓに、導通層を介して流れるリーク電流に起因するリーク電圧が大きく重量されてしまい、ガスセンサ１００の測定精度が低下する虞がある。これに対し、スペーサ１４５を酸素濃度検知セル１５０と酸素ポンプセル１３５との間に積層しつつ、別途、一部にリーク部１４８を設ける構成であれば、酸素濃度検知セル１５０の出力電圧Ｖｓに重畳するリーク電圧が適切に抑制される。そのため、リーク電流によってガスセンサ１００の測定精度が低下してしまうことを抑制しつつ、フィードバック制御において発振が発生することを抑制できる。
【００９１】
Ｂ．他の構成例：
【００９２】
図１０は、本発明に係るガスセンサの他の構成例としてのガスセンサ１００Ｂの構成を説明するための概略図である。図１０は、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０のそれぞれにおいてアルミナ層１３９，１５４が省略されている点と、リーク部１４８の形成位置が異なる点以外は、図５とほぼ同じである。この構成例のガスセンサ１００Ｂでは、酸素ポンプセル１３５において、アルミナ層１３９が省略され、固体電解質体１３６がスペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材として構成されている。また、酸素濃度検知セル１５０において、アルミナ層１５４が省略され、固体電解質体１５１がスペーサ１４５と略同様なサイズを有する板状部材として形成されている。そして、この構成例では、リーク部１４８は、スペーサ１４５の内部において、スペーサ１４５の先端側（ガス検出室１４５ｃよりも先端側）を積層方向に貫通して形成されており、酸素ポンプセル１３５の固体電解質体１３６と、酸素濃度検知セル１５０の固体電解質体１５１とに直接的に接触している。なお、このガスセンサ１００Ｂのリーク部１４８は、各セル１３５，１５０の電極１３７，１３８，１５２，１５３とは離間して形成されている。
【００９３】
このガスセンサ１００Ｂの構成であっても、リーク部１４８によって、フィードバック制御の発振が抑制される。そして、リーク部１４８の外表面が排ガスと直接的に接触することを抑制でき、リーク部１４８の外表面に、排ガス中のカーボンや水滴が付着してしまうことも抑制できる。
【００９４】
Ｃ．変形例：
なお、この発明は上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。例えば、リーク部１４８の形成位置や大きさは、上記実施形態や構成例において説明した位置に限定されるものではない。リーク部１４８は、酸素ポンプセル１３５と酸素濃度検知セル１５０とを互いに接続して、電気的に導通できる位置に形成されていれば良い。
【００９５】
Ｃ１．変形例１：
上記実施形態のガスセンサ１００では、リーク部１４８は、ガスセンサ素子１２０を積層方向に沿って見たときに、ヒータ素子１６０の発熱抵抗体１６３と重なり合う領域に設けられていた。しかし、リーク部１４８は、当該領域の外側に設けられるものとしても良い。ただし、リーク部１４８が、そうした領域に設けられることにより、リーク部１４８の温度制御を適切に行うことができるため好ましい。なお、リーク部１４８は、発熱抵抗体１６３によって加熱可能な、発熱抵抗体１６３の近傍領域に設けられるものとしても良い。
【００９６】
Ｃ２．変形例２：
上記実施形態において、制御回路２００は、ＰＩＤ素子２１０とオペアンプ２１１とを組み合わせて構成されていた。しかし、制御回路２００は他の構成を有するものとしても良い。
【００９７】
Ｃ３．変形例３：
上記実施形態において、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０は、第１固体電解質体１３６または第２固体電解質体１５１のそれぞれの両面に、一対の電極１３７，１３８，１５２，１５３が配置されていた。しかし、酸素ポンプセル１３５及び酸素濃度検知セル１５０は、第１固体電解質体１３６または第２固体電解質体１５１のそれぞれの片面に、一対の電極１３７，１３８，１５２，１５３が配置されるものとしても良い。さらに、上記実施形態において、酸素ポンプセル１３５の一対の電極１３７，１３８と、酸素濃度検知セル１５０の一対の電極１５２，１５３とは、ガスセンサ素子１２０の長手方向（軸線ＡＸに沿った方向）において、略同位置に配置されていた。しかし、酸素ポンプセル１３５の一対の電極１３７，１３８と、酸素濃度検知セル１５０の一対の電極１５２，１５３とは、長手方向にずれて配置されるものとしても良い。
【００９８】
Ｃ４．変形例４：
上記実施形態では、ガスセンサ１００は、酸素イオンを伝導可能な固体電解質体１３６，１５１を用いることにより、測定対象ガス中の酸素ガスの濃度を検出していた。しかし、ガスセンサ１００は、酸素以外のガスの濃度を検出するものとしても良い。
【符号の説明】
【００９９】
１１〜１８…第１のスルーホール導体
２１，２２…ヒータ用スルーホール導体
１００，１００Ｂ，１００ａ…ガスセンサ
１０１…プロテクタ
１０１ｃ…導入孔
１０３…外筒
１１０…主体金具
１１０ｃ…貫通孔
１１０ｋ…端部
１１１…段部
１１３…セラミックホルダ
１１３ｃ…貫通孔
１１４…第１粉末充填層
１１５…第２粉末充填層
１１６…金属カップ
１１６ｃ…貫通孔
１１７…加締リング
１２０…ガスセンサ素子
１２０ａ…第１の面
１２０ｂ…第２の面
１２１…ガス検出部
１２５…第１の電極パッド（Ｉｐ電極パッド）
１２６…第２の電極パッド（ＣＯＭ電極パッド）
１２７…第３の電極パッド（Ｖｓ電極パッド）
１２８，１２９…ヒータ用電極パッド
１３０…検出素子
１３１…保護層
１３２…多孔質部
１３５…酸素ポンプセル
１３６…固体電解質体
１３６ａ，１３６ｂ…第１の面、第２の面
１３７…電極
１３７Ｌ…リード部
１３７Ｍ…電極部
１３８…電極
１３８Ｌ…リード部
１３８Ｍ…電極部
１３９…アルミナ層
１４５…スペーサ
１４５ｃ…ガス検出室
１４６…拡散律速部
１４８…リーク部
１５０…酸素濃度検知セル
１５１…固体電解質体
１５１ａ，１５１ｂ…第１の面、第２の面
１５２…電極
１５２Ｌ…リード部
１５２Ｍ…電極部
１５３…電極
１５３Ｌ…リード部
１５３Ｍ…電極部
１５４…アルミナ層
１６０…ヒータ素子
１６１，１６２…第１と第２の絶縁体
１６３…発熱抵抗体
１６４，１６５…ヒータリード部
１７０…セラミックスリーブ
１７０ｃ…軸孔
１８１…セパレータ
１８１ｃ…貫通孔
１８５〜１８６…接続端子
１９０…付勢金具
１９１…グロメット
１９３〜１９７…リード線
２００，２００ａ…制御回路
２１０…ＰＩＤ素子
２１１…オペアンプ
２２１〜２２３…抵抗
２３０…基準電源
２４０…ハイパスフィルタ
２４１…抵抗
２４２…コンデンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定ガスを導入できる測定室と、
板状の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第１の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室に積層配置され、前記測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を生じる酸素濃度検知セルと、
板状の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第２の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室を挟んで前記酸素濃度検知セルと対向するように前記測定室に積層配置され、前記酸素濃度検知セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、前記測定室内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う酸素ポンプセルと、
内部に前記測定室を有し、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との間に積層され、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層と、
を備えるガスセンサであって、
前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを電気的に接続し、ジルコニアを主成分として形成されたリーク部が、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとの間に積層されると共に、前記絶縁層に隣接するガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサであって、さらに、
前記第２固体電解質体に積層され、内部に発熱部が埋設された板状のヒータを備え、
前記リーク部は、前記ガスセンサの積層方向に沿って見たときに、前記発熱部と少なくとも一部が重なる領域に設けられている、ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とに挟まれた領域において、前記絶縁層を前記ガスセンサの積層方向に貫通して形成されており、
前記絶縁層の前記積層方向に垂直な切断面のうちの少なくとも一つの切断面において、前記リーク部の面積が、前記絶縁層と前記リーク部の面積の合計に対して、５０％未満である、ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検知セルと、前記絶縁層とによって外表面が被覆されている、ガスセンサ。
【請求項１】
測定ガスを導入できる測定室と、
板状の第１固体電解質体と、前記第１固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第１の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室に積層配置され、前記測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を生じる酸素濃度検知セルと、
板状の第２固体電解質体と、前記第２固体電解質体上にそれぞれ配置された一対の電極と、を備え、前記一対の電極のうちの一方の電極である第２の電極の少なくとも一部が前記測定室に面するように、前記測定室を挟んで前記酸素濃度検知セルと対向するように前記測定室に積層配置され、前記酸素濃度検知セルに生じる出力電圧が所定の目標電圧となるように入力されるポンプ電流に応じて、前記測定室内への酸素の汲み入れ、及び、汲み出しを行う酸素ポンプセルと、
内部に前記測定室を有し、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との間に積層され、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを絶縁する絶縁層と、
を備えるガスセンサであって、
前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとを電気的に接続し、ジルコニアを主成分として形成されたリーク部が、前記酸素濃度検知セルと前記酸素ポンプセルとの間に積層されると共に、前記絶縁層に隣接するガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサであって、さらに、
前記第２固体電解質体に積層され、内部に発熱部が埋設された板状のヒータを備え、
前記リーク部は、前記ガスセンサの積層方向に沿って見たときに、前記発熱部と少なくとも一部が重なる領域に設けられている、ガスセンサ。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体とに挟まれた領域において、前記絶縁層を前記ガスセンサの積層方向に貫通して形成されており、
前記絶縁層の前記積層方向に垂直な切断面のうちの少なくとも一つの切断面において、前記リーク部の面積が、前記絶縁層と前記リーク部の面積の合計に対して、５０％未満である、ガスセンサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
前記リーク部は、前記酸素ポンプセルと、前記酸素濃度検知セルと、前記絶縁層とによって外表面が被覆されている、ガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−５０４４０（Ｐ２０１３−５０４４０Ａ）
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１２６７３７（Ｐ２０１２−１２６７３７）
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
【公開日】平成２５年３月１４日（２０１３．３．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月４日（２０１２．６．４）
【出願人】（０００００４５４７）日本特殊陶業株式会社 (2,912)
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