JP2004212284A - ガス濃度検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ガス濃度センサ100は、ポンプセル110、モニタセル120及びセンサセル130を備え、これら各セル110〜130はヒータ151の発熱により活性状態に保持される。ガス濃度検出時において各セル110〜130に流れる電流はセンシング回路200により計測される。ヒータ151はヒータ駆動回路250により断続的に通電される。センシング回路200における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路250における基準電位を設定するグランドパターンとはグランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けられている。
【選択図】 図1
Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するガス濃度検出装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中のNOx(窒素酸化物)を検出するものがある。ガス濃度センサは、例えばポンプセル、センサセル及びモニタセルよりなるセンサ素子を有し、ポンプセルではチャンバに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ同時に排ガス中の酸素濃度検出が行われる。また、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからNOx濃度(特定成分のガス濃度)が検出され、モニタセルではポンプセル通過後のチャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
【0003】
上記ガス濃度センサでは、センサ素子が所定の活性状態にあることを前提に酸素濃度やNOx濃度が正常に検出される。そのため一般には、センサ素子の近傍にヒータを設け、このヒータの発熱によりセンサ素子を加熱して素子活性状態を保持するようにしている。例えば、センサ素子の抵抗値を検出し、その素子抵抗値が活性温度相当の目標値になるようヒータを断続的に通電するようにしている(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
より具体的に説明すると、ガス濃度センサ(いわゆるNOxセンサ)では、センサセルのNOx活性電極において排ガス中のNOxが分解され、その際発生する酸素イオンが当該センサセル内を流れる。このとき、センサセル内を流れる電流を計測することによりNOx濃度が検出される。センサセル電流はnA(ナノアンペア)オーダの微小電流であり、センシング回路内の高抵抗(例えば1.5MΩ)の電流検出抵抗を通じてその微小電流が計測されるようになっている。一方、ヒータはヒータ駆動回路により断続的に通電される。このとき、A(アンペア)オーダのヒータ電流がON/OFF制御される。
【0005】
【特許文献1】
特開2000−171435号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述した通りNOx濃度を検出するためのセンサセル電流はnAオーダであるのに対し、ヒータ電流はAオーダであり、単純に比較すると電流レベルが10^9倍違うこととなる。また通常、センシング回路とヒータ駆動回路とは同一の回路基板上に混在した状態で搭載される。故に、センシング回路にはヒータのON/OFF切り換え時に発生するノイズが乗ってしまい、NOx濃度の必要な検出精度が確保できなくなるおそれがあった。
【0007】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ヒータ駆動系からのノイズの影響を抑制し、ガス濃度の検出精度を向上させることができるガス濃度検出装置を提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス濃度検出装置では前提として、ガス濃度検出時においてセンシング回路によりセンサ素子に流れる電流が計測される。そして、この計測された電流値によりガス濃度が検出される。一方、ヒータ駆動回路により、ヒータが断続的に通電されてセンサ素子が所定の活性状態に保持される。センシング回路とヒータ駆動回路とは同一の回路基板上に実装されており、これら各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる。特に請求項1の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記グランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けている。
【0009】
要するに、ヒータ駆動回路によるヒータ通電が断続(ON/OFF)される時にはそれが原因でノイズが発生する。このとき、ヒータ電流はA(アンペア)オーダであるのに対し、ガス濃度検出時に流れる電流はnA(ナノアンペア)〜mA(ミリアンペア)の微小レベルであるため、センシング回路による電流計測にノイズの悪影響が及ぶことが懸念される。これに対し本発明では、上記の如く各グランドパターンがグランド端子部を挟んで分離配置されるため、センシング回路へのヒータ電流の回り込みが防止できる。つまり、センシング回路における基準電位の変動が防止でき、基準電位が安定する。故に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。
【0010】
但し、「グランド端子部」は、グランド端子そのものであることを含む他、グランド端子に接続され同じ基準電位に保持されたグランド端子相当部分を含むものと定義する。
【0011】
また、請求項2に記載の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に前記グランド端子部を設けている。かかる場合にも上記請求項1と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。
【0012】
更に、請求項3に記載の発明では、センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置に前記グランド端子部を設けている。かかる場合にも上記請求項1と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。つまり、実質上影響のない範囲内(基準電位の変動が生じない範囲内)であれば、各グランドパターンの分岐点とグランド端子部とがずれていたとしてもそれが許容される。
【0013】
実際には請求項4に記載したように、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で異なる2方向に展開して設けると良い。
【0014】
又は、請求項5に記載したように、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で平行にならないようにして設けると良い。請求項4,5の構成によれば、ヒータ電流による電磁波ノイズの影響が排除できる。
【0015】
請求項6に記載の発明では、ヒータ駆動回路用のグランドパターンを、センシング回路用のグランドパターンとの接続部付近で一部細くしている。この場合、グランドパターンの一部細い部位は高抵抗となる。故に、ヒータ通電のON/OFF時におけるノイズの影響がセンシング回路側に伝わりにくくなり、センシング回路の基準電位がより一層安定したものとなる。
【0016】
請求項7,9に記載の発明では、回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた。この場合、ヒータ駆動回路では当該回路内を流れるヒータ電流により磁束が発生し、それに伴う電磁波ノイズもセンシング回路における計測精度の悪化の要因となりうるが、本発明によればこうした不都合も解消される。故に、より一層のガス濃度検出精度の向上が期待できる。
【0017】
また、請求項8,10に記載の発明では、多層基板を用いて回路構成が具体化される装置にあって、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆になるよう構成している。この場合、上記の各パターンに電流が流れると、その電流の流れの向きに応じて磁束が発生するが、それら各パターンに流れる電流の向きが互いに逆であれば、各パターンにより磁束が相殺される。故に、ヒータ電流によって発生する電磁波ノイズの影響が低減できる。
【0018】
上記請求項8又は10の発明では請求項11に記載したように、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを、絶縁層を挟んで上下に50%以上の領域で重ねて設けると良い。より望ましくは、各パターンの重なり部分を80%以上とすると良い。
【0019】
例えば、自動車排ガス中のNOxを検出するNOxセンサは、チャンバ内の酸素の出入を調整するポンプセルや、ポンプセル通過後のガスからNOxを分解しその際移動する酸素イオン量よりNOx濃度を検出するセンサセルを有しており、そのセンサセルに流れる電流はnAオーダの微小電流となる。こうしたNOxセンサに本発明が好適に採用できる。要は、請求項12に記載したように、前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第1セルと、第1セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第2セルとを有し、前記センシング回路は、少なくとも第2セルに流れる微小電流を計測するものであると良い。
【0020】
また、例えば排ガス中の酸素濃度(すなわち空燃比)を検出するA/Fセンサ、或いはガス濃度センサの酸素濃度検出部(ポンプセル)を対象にしても本発明が好適に採用できる。要は、請求項13に記載したように、前記センサ素子は、被検出ガス中の酸素を分解しその際移動する酸素イオン量より酸素濃度を検出するものであり、前記センシング回路は、酸素の分解時に流れる微小電流を計測するものであると良い。つまり、酸素濃度検出時の計測電流(mAオーダ)は、微小電流といってもNOx濃度検出時の計測電流に比べて電流レベルが大きいが、回路配置の制約などによりセンシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとが比較的近い位置に配置される場合などにはやはりヒータ駆動に伴うノイズの影響が懸念される。かかる場合にあっても、本発明の適用により基準電位の変動が抑制でき、高精度な酸素濃度(空燃比)の検出が実現できる。
【0021】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、例えば自動車用エンジンに適用されるものであって、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガス中の酸素濃度や特定成分のガス濃度としてのNOx濃度を検出する。
【0022】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図2を用いて説明する。図2のガス濃度センサは、「第1セル」としてのポンプセル、「第2セル」としてのセンサセル及び「第3セル」としてのモニタセルからなる3セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とNOx濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている(但し、NOxセンサとしての具体化も可能)。本実施の形態では、上記3セルによりセンサ素子が構成されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第2のポンプセルと称される場合もある。図2(a)は、センサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図2(b)は、図2(a)のA−A線断面図である。
【0023】
ガス濃度センサ100において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質(固体電解質素子)141,142はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ143を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質141にはピンホール141aが形成されており、このピンホール141aを介して当該センサ周囲の排ガスが第1チャンバ144内に導入される。第1チャンバ144は、絞り部145を介して第2チャンバ146に連通している。符号147は多孔質拡散層である。
【0024】
図の下側の固体電解質142には、第1チャンバ144に対面するようにしてポンプセル110が設けられており、ポンプセル110は、第1チャンバ144内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル110は、固体電解質142を挟んで上下一対の電極111,112を有し、そのうち特に第1チャンバ144側の電極111はNOx不活性電極(NOxガスを分解し難い電極)である。ポンプセル110は、第1チャンバ144内に存在する酸素を分解して電極112より大気通路150側に排出する。
【0025】
また、図の上側の固体電解質141には、第2チャンバ146に対面するようにしてモニタセル120及びセンサセル130が設けられている。モニタセル120は、第2チャンバ146内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル130は、ポンプセル110を通過した後のガスからNOx濃度を検出する。
【0026】
特に本実施の形態では、図2(b)に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル120及びセンサセル130が並列に配置されると共に、これら各セル120,130の大気通路148側の電極が共通電極122となっている。すなわち、モニタセル120は、固体電解質141とそれを挟んで対向配置された電極121及び共通電極122とにより構成され、センサセル130は、同じく固体電解質141とそれを挟んで対向配置された電極131及び共通電極122とにより構成されている。なお、モニタセル120の電極121(第2チャンバ146側の電極)はNOxガスに不活性なAu−Pt等の貴金属からなるのに対し、センサセル130の電極131(第2チャンバ146側の電極)はNOxガスに活性な白金Pt、ロジウムRh等の貴金属からなる。
【0027】
図3(a)は、モニタセル120及びセンサセル130の電極配置を第2チャンバ146側から見た平断面図であり、図3(b)は、これら各セルの電極配置を大気通路148側から見た平断面図である。本構成によれば、モニタセル120及びセンサセル130では排ガス導入距離が同じになる。その結果、ポンプセル110通過後の残留酸素に対するモニタセル120とセンサセル130との感度が同等になり、精度の高いガス濃度検出が可能になる。但し、モニタセル120及びセンサセル130の電極は、図3(a)のように、排ガスの流れ方向に沿って並列に配置すること以外に、排ガスの流れ方向に前後(すなわち、図の左右)に配置することも可能である。例えば、モニタセル120を上流側(図の左側)に、センサセル13を下流側(図の右側)に配置する。また、各セルにおいて共通電極122を用いることも必須ではなく、各セル個別の電極を用いることも可能である。
【0028】
固体電解質142の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層149が設けられ、この絶縁層149により大気通路150が形成されている。また、絶縁層149には、センサ全体を加熱するためのヒータ(発熱体)151が埋設されている。ヒータ151はポンプセル110、モニタセル120及びセンサセル130を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【0029】
上記構成のガス濃度センサ100において、排ガスは多孔質拡散層147及びピンホール141aを通って第1チャンバ144に導入される。そして、この排ガスがポンプセル110近傍を通過する際、ポンプセル電極111,112間に電圧Vpを印加することで分解反応が起こり、第1チャンバ144内の酸素濃度に応じてポンプセル110を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第1チャンバ144側の電極111がNOx不活性電極であるので、ポンプセル110では排ガス中のNOxは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路150に排出される。そして、ポンプセル110に流れた電流(ポンプセル電流Ip)により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【0030】
ポンプセル110近傍を通過した排ガスは第2チャンバ146に流れ込み、モニタセル120では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル120の出力は、モニタセル電極121,122間に所定の電圧Vmを印加することでモニタセル電流Imとして検出される。また、センサセル電極131,122間に所定の電圧Vsを印加することでガス中のNOxが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路148に排出される。このとき、センサセル130に流れた電流(センサセル電流Is)により、排ガス中に含まれるNOx濃度が検出される。
【0031】
因みに、ポンプセル110では、その都度の排ガス中の酸素濃度(すなわちポンプセル電流Ip)に応じて印加電圧Vpが可変に制御されるようになっており、一例として、当該ポンプセル110の限界電流特性に基づき作成された印加電圧マップを用い、その都度のポンプセル電流Ipに応じて印加電圧Vpが制御される。これにより、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど印加電圧が高電圧側にシフトするようにして印加電圧制御が実施される。
【0032】
次に、ガス濃度検出装置の電気的な構成を図1を用いて説明する。なお図1には、前述のガス濃度センサ100を用いたガス濃度検出装置を示すが、モニタセル120及びセンサセル130の電極配置については、便宜上、横並びの状態で示す。
【0033】
図1において、マイクロコンピュータ(以下、マイコンと略す)300は、CPU、A/D変換器、D/A変換器、I/Oポート等を備える周知の論理演算回路にて構成されており、各セル110〜130の印加電圧をD/A変換器(D/A0〜D/A2)より適宜出力する。また、マイコン300は、各セル110〜130に流れる電流の計測結果を取り込むべく、センシング回路200内における各端子Vc、Ve、Vd、Vb、Vg、Vhの電圧をA/D変換器(A/D0〜A/D5)より各々入力する。マイコン300は、ポンプセル110やセンサセル130で計測された電流値に基づいて排ガス中の酸素濃度(A/F)やNOx濃度を検出し、その検出結果をD/A変換器(D/A4,D/A3)や通信回路を介して外部のエンジンECU等に出力する。
【0034】
センシング回路200の構成について詳しくは、ポンプセル110において一方の電極112には、基準電源201及びオペアンプ202により基準電圧Vaが印加され、他方の電極111には、オペアンプ203及び電流検出抵抗204を介してマイコン300の指令電圧Vbが印加される。指令電圧Vbの印加に際し、排ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル110に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗204により検出される。つまり、電流検出抵抗204の両端子電圧Vb,Vdがマイコン300に取り込まれ、その電圧Vb,Vdによりポンプセル電流Ipが算出される。
【0035】
また、モニタセル120及びセンサセル130の共通電極122には、基準電源205及びオペアンプ206により基準電圧Vfが印加され、共通電極122とは異なる方のセンサセル電極131には、オペアンプ207及び電流検出抵抗208を介してマイコン300の指令電圧Vgが印加される。指令電圧Vgの印加に際し、ガス中のNOx濃度に応じてセンサセル130に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗208により検出される。つまり、電流検出抵抗208の両端子電圧Vg,Vhがマイコン300に取り込まれ、その電圧Vg,Vhによりセンサセル電流Isが算出される。
【0036】
また、共通電極122とは異なる方のモニタセル電極121には、LPF(ローパスフィルタ)209、オペアンプ210及び電流検出抵抗211を介してマイコン300の指令電圧Vcが印加される。指令電圧Vcの印加に際し、ガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル120に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗211により検出される。つまり、電流検出抵抗211の両端子電圧Vc,Veがマイコン300に取り込まれ、その電圧Vc,Veによりモニタセル電流Imが算出される。なお、LPF209は、例えば抵抗及びコンデンサからなる一次フィルタにて実現される。
【0037】
また本実施の形態では、いわゆる掃引法を用い、例えばモニタセル120を対象に「素子抵抗値」としての素子インピーダンスが検出される。つまり、モニタセル120のインピーダンス検出時において、マイコン300により、モニタセル印加電圧(指令電圧Vc)が正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に(例えば数10〜100μsec程度の時間で)切り換えられる。この印加電圧は、LPF209により正弦波的になまされつつモニタセル120の両電極に印加される。交流電圧の周波数は10kHz以上が望ましく、LPF209の時定数は5μsec程度で設定される。そして、その時の電圧変化量と電流変化量とからモニタセル120の素子インピーダンスが算出される(インピーダンス=電圧変化量/電流変化量)。なお、素子抵抗値として、素子インピーダンスに代えてその逆数である素子アドミタンスを検出する構成であっても良い。
【0038】
因みに、モニタセル120及びセンサセル130では、一方の電極を共通電極122としたため、基準電圧側のドライブ回路が削減できるというメリットや、ガス濃度センサ100からのリード線の取り出し本数が削減できるというメリットが得られる。また、モニタセル120とセンサセル130とは同じ固体電解質141で隣り合って形成されるため、掃引時には隣の電極に電流が流れ、素子インピーダンスの検出精度が悪化することが懸念されるが、共通電極122を設けることで一方の電極が同じ電位となり、この影響が低減できる。
【0039】
また、モニタセル120では残留酸素濃度を検出する際に数μA程度の電流しか流れないのに対し、インピーダンス検出のための掃引時には数mA程度の電流が流れる。このオーダの異なる電流を同じ検出抵抗で検出すると、オーバーレンジしたり、検出精度が悪くなったりする。そこで本実施の形態では、モニタセル120による残留酸素検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り換えることとしている。具体的には、電流検出抵抗211に並列に、別の電流検出抵抗212とスイッチ回路213(例えば、半導体スイッチ)とを設けている。そして、マイコン300のI/Oポートからの出力により、スイッチ回路213をON/OFFさせるよう構成する。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路213をOFF(開放)し、電流検出抵抗211による数100kΩ程度の抵抗でモニタセル電流Imを検出する。これに対し、インピーダンス検出時には、スイッチ回路213をON(閉鎖)し、電流検出抵抗211及び212による数100Ω程度の抵抗でモニタセル電流Imを検出する。
【0040】
また、ガス濃度センサ100のヒータ151は、ヒータ駆動回路250により断続的に通電される。つまり、ヒータ駆動回路250は、ヒータ駆動用のスイッチング素子としてのMOSFET251と、このMOSFET251に逆向きに接続された逆流防止用のMOSFET252と、MOSFET駆動用のドライバ253とを有する。マイコン300内のCPUは、制御指令値DutyをI/Oポートから出力してMOSFETドライバ253を駆動する。このとき、電源254(例えばバッテリ電源:VB=12V)からヒータ151へ供給される電力がMOSFET251によりPWM制御され、これによりヒータ151が断続的に通電される。
【0041】
上述したマイコン300をはじめ、センシング回路200やヒータ駆動回路250は同一の回路基板上に実装されている。そして、この回路基板に設けられたコネクタ部を通じてガス濃度センサ100やエンジンECU等への電気的な接続がなされるようになっている。この場合、回路基板は、複数(例えば6層)の絶縁層が積層されてなる多層基板により構成されている。つまり、絶縁層毎に銅箔等による導体パターンが設けられると共に、絶縁層にスルーホールが形成されてこのスルーホール内に充填された導体部材を通じて絶縁層間が導通されるようになっている。多層基板構造については従来より種々の技術が提案、実用化されており、その多層基板構造は任意の技術を採用すれば良いため詳細の図示及びその説明を省略するが、以下には、図4〜図6を用いて本実施の形態の要部構成を説明する。
【0042】
先ずは図4を用い、回路基板に設けられる端子列について説明する。図4に示すように、回路基板の側縁部には、複数の端子(T1〜T9等)が一列に並んだ状態で配置されており、これら各端子を通じてガス濃度センサ100の各セル110〜130やヒータ151の電気的な操作が行われる他、別装置との通信等が行われるようになっている。主要なものを簡単に説明すれば、ポンプセル110は端子T8−T9間に、モニタセル120は端子T1−T3間に、センサセル130は端子T2−T3間にそれぞれ接続される。端子T3はモニタセル、センサセルの共通端子である。また、ヒータ151は端子T5−T7間に接続される。端子T4はグランド端子(グランド端子部)であり、端子T4を通じて外部より基準電位(本実施の形態では0V)が取り込まれる。また、端子T6はバッテリ端子であり、端子T6を通じてバッテリ電圧が取り込まれる。
【0043】
図5には、複数の絶縁層のうち、2層の絶縁層Z1,Z2についてその要部を示しており、これら各絶縁層Z1,Z2には各層共通に前記図4で説明した端子列が同様に設けられている。(a)に示す絶縁層Z1には、ヒータ駆動回路250用の電源パターンP1が設けられている。この電源パターンP1には図中矢印の向きでヒータ電流ihが流れる。
【0044】
また、(b)に示す絶縁層Z2には、グランド端子T4に接続されたグランドパターンP2が設けられている。このグランドパターンP2は、センシング回路用のグランドパターンP3と、ヒータ駆動回路用のグランドパターンP4とを一体的に有するものであり、これら各グランドパターンP3,P4はグランド端子T4を起点として分離して設けられている。見方を変えれば、各グランドパターンP3,P4の分岐点B1にグランド端子T4が設けられているとも言える。この場合特に、各グランドパターンP3,P4が回路基板上で異なる2方向に展開して(すなわち、ほぼ180度開いた状態で)設けられている。ヒータ駆動回路用のグランドパターンP4には図中矢印の向きでヒータ電流ihが流れる。
【0045】
図5(b)に示すグランドパターン構成によれば、各グランドパターンP3,P4がグランド端子T4を挟んで分離配置されるため、センシング回路200へのヒータ電流ihの回り込みが防止でき、センシング回路200における基準電位の安定化が実現できる。つまり、ヒータ電流はA(アンペア)オーダであるのに対し、センサセル電流はnA(ナノアンペア)の微小レベルであるため、センシング回路200側では、ヒータ駆動系で発生したノイズによる悪影響が懸念されるが、こうした問題が解消される。
【0046】
また、図5の(a),(b)には、センシング回路200の設置領域R1と、ヒータ駆動回路250の設置領域R2とを点線枠で示しており、これら各領域R1,R2が互いに離間した位置に設けられていることが分かる。この場合、ヒータ駆動回路250では当該回路250内を流れるヒータ電流ihにより磁束が発生し、それに伴う電磁波ノイズもNOx濃度の検出精度悪化の要因となりうるが、本構成によればこうした不都合も解消される。
【0047】
また、ヒータ駆動回路250側では、グランドパターンP4と電源パターンP1とが各々異なる絶縁層Z1,Z2にあって上下に重ねて設けられ、且つそれら各パターンのヒータ電流ihの流れの向きが互いに逆になっている。図6は、電源側及びグランド側の各パターンP1,P4が重なった状態で配置されることを示す平面図である。この場合、電源側及びグランド側の各パターンP1,P4にヒータ電流ihが流れると磁束が発生するが、それら各パターンに流れるヒータ電流ihの向きが互いに逆であるため、各パターンの磁束が互いに打ち消される。故に、ヒータ電流ihによって発生する電磁波ノイズの影響が低減できる。
【0048】
因みに、同一の絶縁層上で電源側及びグランド側の各パターンを並べて設けた場合と、異なる絶縁層上で上下に重ねて各パターンを設けた場合とを比較すると、前者の場合はパターン間のギャップが最低1〜2mm程度はできるのに対し、後者の場合はパターン間のギャップ(上下の間隔)は絶縁層の厚さである0.4mm程度になる。従って、各パターンを上下に重ねることにより、磁束の打ち消し合いの効果を高めることができる。
【0049】
各パターンP1,P4は、絶縁層を挟んで上下に50%以上の領域で重ねて設けられると良い。より望ましくは、各パターンの重なり部分を80%以上とすると良い。各パターンの重なる領域が大きくなるほど、電磁波ノイズの低減効果が高められる。
【0050】
また、ヒータ駆動回路用のグランドパターンP4を見ると、センシング回路用のグランドパターンP3との接続部付近(分岐点B1)で一部細くなっている(図のA部)。この場合、グランドパターンP4の一部細い部位は高抵抗となる。故に、ヒータ通電のON/OFF時におけるノイズの影響がセンシング回路200側に伝わりにくくなり、センシング回路200の基準電位がより一層安定したものとなる。
【0051】
以上詳述した本実施の形態によれば、
(1)センシング回路用のグランドパターンP3とヒータ駆動回路用のグランドパターンP4とをグランド端子T4を挟んで分離配置したこと、
(2)センシング回路200の設置領域とヒータ駆動回路250の設置領域とを互いに離間した位置に設けたこと、
(3)ヒータ駆動回路用のグランドパターンP4と電源パターンP1とを絶縁層を挟んで設け、各々の電流の流れの向きを互いに逆にしたこと、
により、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、NOx濃度の検出精度が向上する。これに加え、ポンプセル110による酸素濃度検出においても同様の効果を奏し、酸素濃度の検出精度が向上する。
【0052】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【0053】
上記実施の形態では、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとの分岐点にグランド端子を設けるよう構成したが、この構成を変更し、各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置にグランド端子を設ける構成であっても良い。例えば、図7に示すグランドパターンP11は、センシング回路用のグランドパターンP12と、ヒータ駆動回路用のグランドパターンP13とを一体的に有し、各グランドパターンP11,P12が分岐点B2で分岐している。この場合、前記図5(b)とは異なり、分岐点B2とグランド端子T4とが一致しないものの、かかる場合にも上記実施の形態と同様に、ヒータ駆動系からのノイズの影響が抑制でき、ガス濃度の検出精度が向上する。つまり、実質上影響のない範囲内(基準電位の変動が生じない範囲内)であれば、各グランドパターンの分岐点とグランド端子とがずれていたとしてもそれが許容される。
【0054】
また上記実施の形態では、センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを回路基板上で異なる2方向に展開して(すなわち、ほぼ180度開いた状態で)設けたが、これを変更し、各グランドパターンをL字状に展開したり、鋭角な角度で展開したりする構成であっても良い。但し、各グランドパターンは交わらず、平行にならないように配置されると良い。
【0055】
グランドパターン上にグランド端子が直接設けられる構成でなくとも、グランド端子に接続され同じ基準電位に保持されるグランド端子相当部分がグランドパターン上に設けられる構成としても良い。具体的には、図8に示すように、グランドパターンP2とグランド端子T4とを離間して設ける。そして、グランドパターンP2の端子接続部11(グランド端子部に相当)とグランド端子T4とを配線12で電気的に接続する。この場合には、端子接続部11をグランドパターンP3,P4の分岐点又はその近傍に設ければよく、かかる構成にあっても既述の優れた効果を奏することに変わりない。
【0056】
上記実施の形態のガス濃度検出装置では、
(1)センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとをグランド端子を挟んで分離配置した構成、
(2)センシング回路の設置領域とヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた構成、
(3)ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで設け、各々の電流の流れの向きを互いに逆にした構成、
を何れも採用したが、何れか1つ又は2つを採用したとしても従来に無い効果を奏する。故に、上記(1)〜(3)の構成を選択的に用いて実現することも可能である。
【0057】
回路基板とヒータとを電気的に接続する電線のプラス側とマイナス側とをツイストする構成としても良い。この場合、電線周りに磁束が発生してもその磁束が互いに打ち消され合い、ノイズの発生が抑制される。
【0058】
NOx濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度としてHC濃度やCO濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセル(第1セル)にて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセル(第2セル)にて余剰酸素排出後のガスからHCやCOを分解してHC濃度やCO濃度を検出する。
【0059】
また、A/Fセンサについても本発明が適用できる。例えば、回路配置の制約などによりセンシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとが比較的近い位置に配置される場合などにはやはりヒータ駆動に伴うノイズの影響が懸念される。かかる場合にあっても、本発明の適用により基準電位の変動が抑制でき、高精度な酸素濃度(空燃比)の検出が実現できる。
【0060】
更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示す構成図である。
【図2】ガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【図3】モニタセル及びセンサセルの電極配置を示す平断面図である。
【図4】回路基板の端子列を説明するための平面図である。
【図5】電源パターン及びグランドパターンを示す平面図である。
【図6】電源パターン及びグランドパターンを示す平面図である。
【図7】グランドパターンの別の構成例を示す平面図である。
【図8】グランドパターンの別の構成例を示す平面図である。
【符号の説明】
100…ガス濃度センサ、
110…ポンプセル、
120…モニタセル、
130…センサセル、
141,142…固体電解質、
144…第1チャンバ、
146…第2チャンバ、
151…ヒータ、
200…センシング回路、
250…ヒータ駆動回路、
P1…電源パターン、
P3,P12…センシング回路用のグランドパターン、
P4,P13…ヒータ駆動回路用のグランドパターン、
T4…グランド端子。
Claims (13)
- 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記グランド端子部又はその近傍を起点として分離して設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。 - 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に前記グランド端子部を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。 - 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記センシング回路における基準電位を設定するグランドパターンと、前記ヒータ駆動回路における基準電位を設定するグランドパターンとを前記回路基板上に一体的に設け、これら各グランドパターンの分岐点に対して何れかのグランドパターン側か、或いはその逆側にずれた位置に前記グランド端子部を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。 - センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で異なる2方向に展開して設けた請求項1乃至3の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- センシング回路用のグランドパターンとヒータ駆動回路用のグランドパターンとを、前記回路基板上で平行にならないようにして設けた請求項1乃至3の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- ヒータ駆動回路用のグランドパターンを、センシング回路用のグランドパターンとの接続部付近で一部細くした請求項1乃至5の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- 回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けた請求項1乃至6の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- 前記回路基板は複数の絶縁層が積層されてなる多層基板であり、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆になるよう構成した請求項1乃至7の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
回路基板上における前記センシング回路の設置領域と前記ヒータ駆動回路の設置領域とを互いに離間した位置に設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。 - 固体電解質を有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出するセンサ素子と該センサ素子を所定の活性状態に加熱するヒータとを備えるガス濃度センサに適用され、ガス濃度検出時に前記センサ素子に流れる電流を計測するセンシング回路と、前記ヒータを断続的に通電するヒータ駆動回路とを備え、これら各回路が同一の回路基板上に実装されて各回路にはグランド端子部を通じて外部より基準電位が取り込まれる構成としたガス濃度検出装置において、
前記回路基板は複数の絶縁層が積層されてなる多層基板であり、ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを絶縁層を挟んで上下に重ねて設け且つそれら各パターンの電流の流れの向きが互いに逆になるよう構成したことを特徴とするガス濃度検出装置。 - ヒータ駆動回路用のグランドパターンと電源パターンとを、絶縁層を挟んで上下に50%以上の領域で重ねて設けた請求項8又は10記載のガス濃度検出装置。
- 前記センサ素子は、チャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第1セルと、第1セル通過後のガスを取り込んで当該ガス中の特定成分を分解しその際移動する酸素イオン量より特定成分のガス濃度を検出する第2セルとを有し、前記センシング回路は、少なくとも第2セルに流れる微小電流を計測するものである請求項1乃至11の何れかに記載のガス濃度検出装置。
- 前記センサ素子は、被検出ガス中の酸素を分解しその際移動する酸素イオン量より酸素濃度を検出するものであり、前記センシング回路は、酸素の分解時に流れる微小電流を計測するものである請求項1乃至11の何れかに記載のガス濃度検出装置。
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