JP4048200B2 - ガス検出システム - Google Patents

Description

本発明は、例えば、自動車用内燃機関の空燃比制御等に利用されるガス検出システムに関する。

従来より、測定対象気体中の特定ガス成分の検出を行うためのセンサ素子として、酸素ポンプセルおよび酸素濃度測定セルを積層してなるセンサ素子が知られている。
なお、酸素ポンプセルおよび酸素濃度測定セルは、酸素イオン伝導性の固体電解質層を１対の電極で挟みこむことで形成されており、センサ素子は、酸素ポンプセルと酸素濃度測定セルとの間に、測定対象気体が導入される中空の測定室を備えて構成されている。

また、このようなセンサ素子と、センサ素子の電極に接続される複数のリード線と、リード線を介してセンサ素子の複数の電極に電気的に接続される制御部と、を備えるガス検出システムが知られている（特許文献１〜特許文献３参照）。

なお、制御部は、酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように酸素ポンプセルに電流を流して、測定室の酸素濃度を一定に制御すると共に、酸素ポンプセルに流れる電流値から測定対象気体における酸素濃度を測定する処理を実行する。

また、酸素イオン伝導性の固体電解質体上に複数の電極を設けたセンサ素子と、センサ素子の電極に接続されるリード線とを備え、リード線を介してセンサ素子
に抵抗値測定用の一定の電流もしくは電圧を印加し、その際にリード線を介して出力される電気信号に基づいてセンサ素子（固体電解質体）の内部抵抗値を検出するガス検出システムも知られている（特許文献１〜特許文献４参照）。

このようなガス検出システムは、例えば、自動車などの排ガス中に含まれる特定ガス成分（酸素、ＮＯｘなど）を検出する用途に用いられる。自動車にはノイズ発生源となる電気機器（点火コイル、発電機等）が数多く備えられており、それらのノイズ対策の一例として、シールド線が用いられることが一般的である。なお、シールド線は、芯線の周囲を電気的に絶縁された状態で被覆する金属材料からなるシールド部を有するリード線であり、シールド部をグランドラインに接続することで、芯線に対する外部ノイズの影響を低減することができる。つまり、シールド線を用いることで、外部ノイズの影響を抑えることができ、さらに、ノイズによるガス検出精度の低下を抑制することが出来る。また、このような外部ノイズの影響を抑えられるシールド線を用いることで、センサ素子の内部抵抗値を検出する際の検出精度を良好なものとすることができる。
特開平１０−０４８１８０号公報 特開平１０−１４２１９４号公報 特開２００３−１８５６２６号公報 特開２０００−０８１４１４号公報

しかし、上述のシールド線は一般的なリード線と比較して高価であるため、シールド線を用いて構成されるガス検出システムは、価格が高くなるという問題がある。
これに対して、シールド部を有さないリード線（以下、シールド無しリード線とも記す）を用いることで、価格の上昇を抑えることは可能であるが、ノイズによる影響を受けてセンサ素子と制御部との間に流れる電気信号が変動してしまい、ガス検出精度が低下するという問題が生じてしまう。また、シールド無しリード線を用いることで、ノイズによる影響を受けてセンサ素子とその内部抵抗値を検出する抵抗検出部との間に流れる電気信号が変動してしまい、内部抵抗値の検出精度が低下するという問題が生じてしまう。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、シールド部を有さないリード線を用いてコスト低減を図ると共に、ノイズの影響を低減できるガス検出システムを提供することを目的とする。
また、シールド部を有さないリード線を用いてセンサ素子の内部抵抗値を正確に検出することができるガス検出システムを提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質層を１対の電極で挟んでなる酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の固体電解質層を１対の電極で挟んでなる酸素濃度測定セルとを備え、酸素ポンプセルと酸素濃度測定セルとの間に測定対象気体が導入される測定室を備える形態で、酸素ポンプセルおよび酸素濃度測定セルを積層してなるセンサ素子と、センサ素子の複数の電極に接続される複数のリード線と、リード線を介して前記センサ素子の複数の電極に電気的に接続され、酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように酸素ポンプセルに電流を流して、測定室の酸素濃度を一定に制御する制御部と、センサ素子の酸素ポンプセルおよび酸素濃度測定セルを加熱するヒータ部と、を備えるガス検出システムであって、複数のリード線には、測定室に面する複数の電極に接続される１本の共通リード線が少なくとも含まれており、共通リード線は、複数のリード線のうち当該共通リード線以外のリード線の少なくとも１本に対し、電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で結束され、ヒータ部に接続されるヒータ部リード線は、共通リード線を含むセンサ素子に接続した複数のリード線に対して結束せずに非接触状態とされていること、を特徴とするガス検出システムである。

このガス検出システムにおいては、複数のリード線のうち、共通リード線以外のリード線の少なくとも１本と共通リード線とが、電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で、配設されている。換言すれば、複数のリード線のうち、少なくとも共通リード線を含む２本以上のリード線が、互いに電気的に絶縁された状態で接触する部分を有している。

そして、本願発明者が実施した測定の測定結果（後述する図４および図５）によれば、少なくとも２本以上のリード線同士を互いに接触させた状態で配設することにより、全てのリード線が離れた状態で配設した場合に比べて、ノイズの影響による電気信号（電流）の変動を抑制できることがわかる。

このことから、リード線として、シールド部を有さないリード線（シールド無しリード線）を用いる場合であっても、ノイズの影響を抑えることができ、高価なシールド線を使用する必要が無くなる。
また、電流通電により発熱するヒータ部を備える場合には、ヒータ部への通電電流に起因してノイズが生じることがあり、センサ素子の酸素ポンプセルおよび酸素濃度測定セルにおける複数の電極に接続されるリード線に対して、ヒータ部への通電電流によるノイズの影響が及ぶことがある。そこで、ヒータ部を有するガス検出システムでは、本発明を適用することにより、リード線の通電電流に対するノイズの影響を低減するという本発明の効果をより一層発揮させることができる。つまり、少なくとも共通リード線を含む２本以上のリード線が互いに電気的に絶縁された状態で接触する部分を有するようにガス検出システムを構成することで、ノイズ対策に関する顕著な効果を得ることができ、ガス検出精度の低下を抑制することができる。

よって、本発明のガス検出システムによれば、シールド部を有さないリード線を用いることができるため、シールド線を用いることによるコストアップを回避でき、また、少なくとも共通リード線を含む２本以上のリード線同士を互いに接触させることで、ノイズの影響を低減することができる。また、ガス検出システムとしての耐ノイズ性が向上することから、自動車に各種電気機器が増えてノイズ源が増しても、それに好適に対処できる低コストのガス検出システムを提供することができる。

なお、ノイズの影響を有効に低減させるには、酸素濃度測定セルの測定室外に位置する電極と電気的に接続されるリード線と共通リード線とを互いに接触させるか、全てのリード線を接触させることが好ましい。

そして、本発明は、請求項２に記載のように、共通リード線を含む複数のリード線を介して出力される電気信号に基づいて酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出し、検出した内部抵抗値が予め定められた目標抵抗値となるように、ヒータ部の発熱量を制御するヒータ制御手段と、を備えるガス検出システムに適用すると良い。

さらに、本発明では、センサ素子に接続されるリード線のうち、少なくとも共通リード線を含む２本以上のリード線を互いに接触させてノイズ低減を図っていることから、酸素濃度測定セルの内部抵抗値の検出精度も向上することになる。これにより、酸素濃度測定セルの内部抵抗値を正確に検出することができ、その内部抵抗値に基づきヒータ部の発熱量（ヒータ部への通電電流値）を適切に制御することができる。

次に、上述のガス検出システムにおいては、請求項３に記載のように、複数のリード線を束ねる結束用部材が備えられ、共通リード線は、結束用部材により他のリード線と結束されることで、他のリード線と接触するとよい。

つまり、複数のリード線を互いに接触させるに際して、結束用部材を用いて複数のリード線同士を結束することにより、少なくともリード線同士が接触する部分を形成でき、ノイズの影響を低減することができる。

なお、結束用部材としては、例えば、粘着テープや結束バンドなどを用いることができ、複数の結束用部材を用いることで、一定間隔ごとに複数のリード線を結束することにより、リード線同士の接触部分の面積を大きく確保でき、ノイズ低減の効果を向上させることができる。また、結束用部材としては、このほかに、ガラスチューブやコルゲートチューブなどを用いることができる。

また、上述のガス検出システムにおいては、請求項４に記載のように、共通リード線は、他のリード線とねじり合う形態で結束されることにより、他のリード線と接触するとよい。

複数のリード線を互いに接触させるに際しては、リード線同士をねじり合う形態で結束することにより、少なくともリード線同士が接触する接触部分を形成でき、ノイズの影響を低減することができる。

また、リード線同士をねじり合う形態での結束形態は、結束用部材を用いることなく複数のリード線を束ねることができるため、結束用部材を省略することで部品点数の増加を防ぐことができ、システム全体としての部品コストの増大を抑えることができる。

なお、上述したように、センサ素子を加熱するためにヒータ部がセンサ素子に対して一体ないし近接して設けられることがあるが、ヒータ部に流れる電気信号のオーダー（電流レベル）は、センサ素子に流れる電気信号の電流レベルに比較して大きい。そのため、センサ素子の耐ノイズ性を効果的に高めるには、ヒータ部のリード線を、センサ素子の共通リード線を含むリード線に結束させないようにあるいはセンサ素子のリード線にねじり合わないようにして、センサ素子のリード線に非接触状態とすることが好ましい。

さらに、上述のガス検出システムにおいては、請求項５に記載のように、共通リード線は、他の前記リード線の全てと接触するとよい。

このように、共通リード線をセンサ素子に繋がる他の全てのリード線と接触させることで、全てのリード線について、シールド線を用いることなくノイズの影響による電流の変動を抑制できる。また、ガス検出システムにおいて、全てのリード線についてシールド部を有さないリード線を用いることができ、より大きなコスト低減効果を得ることができる。

また、かかる目的を達成するためになされた他の解決手段としての請求項６に記載の発明は、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、固体電解質体上に形成される複数の電極とを備えるセンサ素子と、センサ素子の複数の電極に接続される複数のリード線と、複数のリード線を介して出力される電気信号に基づいて前記センサ素子の内部抵抗値を検出する抵抗検出部と、センサ素子を加熱するヒータ部とを備えるガス検出システムであって、複数のリード線は、いずれも、他のいずれかのリード線と電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で結束され、ヒータ部に接続されるヒータ部リード線は、センサ素子に接続した複数のリード線に対して結束せずに非接触状態とされていることを特徴とするガス検出システムである。

このガス検出システムにおいては、センサ素子の内部抵抗値を検出するための電気信号が流れる複数のリード線が、いずれも、他のいずれかのリード線と電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で配設されている。このように、複数のリード線の１本を他のいずれかのリード線に接触させることにより、複数のリード線をいずれも離した状態で配設した場合に比べて、ノイズの影響による電流の変動を抑制することができる。このことから、リード線としてシールド部を有さないリード線（シールド無しリード線）を用いる場合であっても、ノイズの影響を抑えることができる。従って、本発明のガス検出システムによれば、高価なシールド線を使用することなく、センサ素子の内部抵抗値を正確に検出することができる。

次に、上述のガス検出システムにおいては、請求項７に記載のように、複数のリード線を束ねる結束用部材が備えられ、複数のリード線は、結束用部材により結束されることで、いずれも、他のいずれかのリード線と接触するとよい。

つまり、複数のリード線を互いに接触させるに際して、結束用部材を用いてセンサ素子の複数のリード線を結束することにより、少なくともリード線同士が接触する部分を形成でき、ノイズの影響を低減することができる。そして、本発明のガス検出システムによれば、このようにしてノイズの影響を低減することで、リード線を介してセンサ素子の内部抵抗値を精度良く検出することができる。なお、結束用部材の具体的な形態や材質については、上述した通りである。

また、上述のガス検出システムにおいては、請求項８に記載のように、複数のリード線は、いずれもが他のリード線とねじり合う形態で結束されることにより、いずれも、他のいずれかのリード線と接触するとよい。

複数のリード線を互いに接触させるに際しては、リード線同士をねじり合う形態で結束することにより、少なくともリード線同士が接触する接触部分を形成でき、ノイズの影響を低減することができる。そして、本発明のガス検出システムによれば、このようにしてノイズの影響を低減することで、リード線を介してセンサ素子の内部抵抗値を精度良く検出することができる。

なお、上述したように、センサ素子を加熱するためにヒータ部がセンサ素子に対して一体ないし近接して設けられることがあるが、ヒータ部に流れる電気信号のオーダー（電流レベル）は、センサ素子に流れる電気信号の電流レベルに比較して大きい。そのため、センサ素子の耐ノイズ性を効果的に高めるには、ヒータ部のリード線を、センサ素子のリード線に結束させないようにあるいはセンサ素子のリード線にねじり合わないようにして、センサ素子のリード線を非接触状態とすることが好ましい。

（実施形態１）
以下に、本発明を適用した実施形態１として、全領域空燃比センサを備えるガス検出システム１について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態１のガス検出システムは、内燃機関の排気ガス中に含まれる酸素濃度を検出するものであり、酸素濃度の検出結果は、内燃機関の空燃比を制御するために用いられる。

図１に、ガス検出システム１の概略構成を表したシステム構成図を示す。
ガス検出システム１は、全領域空燃比センサ素子１０、全領域空燃比センサ素子１０に接続されるセンサ制御回路３１、全領域空燃比センサ素子１０を加熱するためのセラミックヒータ４１、およびセラミックヒータ４１に接続されるヒータ電圧供給装置４３を備えて構成されている。また、ガス検出システム１は、全領域空燃比センサ素子１０とセンサ制御回路３１とを電気的に接続するための３本のリード線（ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５）を備えている。

なお、ヒータ電圧供給装置４３およびセンサ制御回路３１は、全領域空燃比センサ素子１０の起動時に外部から入力されるセンサ起動信号に同期して、それぞれ動作を開始する。

まず、全領域空燃比センサ素子１０は、図１に示すように、固体電解質体１２の両板面（表側板面、裏側板面）に多孔質電極１３，１４を有して酸素（Ｏ2 ）のポンピングを行う酸素ポンプセル１１（以下、Ｉｐセル１１ともいう）と、固体電解質体１６の両板面（表側板面、裏側板面）に多孔質電極１７，１８を有し、酸素濃度に応じて起電力を発生する酸素濃度測定セル１５（以下、Ｖｓセル１５ともいう）と、この酸素ポンプセル１１と酸素濃度測定セル１５との間に設けられて被測定ガスが導入される空間であるガス検出室１９と、被測定ガスをガス検出室１９に導入するための経路に配置されたガス拡散多孔質層２１と、酸素濃度測定セル１５と遮蔽層２３との間に設けられて酸素を溜め込む空間である酸素基準室２５とを備えている。

なお、酸素ポンプセル１１の多孔質電極１４および酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７は、ガス検出室１９に面するように配置されている。また、固体電解質体１２，１６および遮蔽層２３は、イットリアを安定化剤として固溶させた部分安定化ジルコニアを主体に形成され、多孔質電極１３，１４は、白金を主体に形成されている。

センサ制御回路３１は、公知の回路構成によって構成されており、ポンプ電流駆動回路３３と、電圧出力回路３５と、測定電流供給回路３７と、抵抗値検出回路３８と、基準電圧比較回路３９と、微小電流供給回路４０を備えて構成されている。

このうち、微小電流供給回路４０は、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１８側から多孔質電極１７側へと微小電流Ｉｃｐを通電するものである。この微小電流供給回路４０による微小電流Ｉｃｐの通電により、多孔質電極１８側（酸素基準室２５）に酸素が汲み込まれ、多孔質電極１８が内部酸素基準源として機能する。電圧出力回路３５は、微小電流供給回路４０による微小電流Ｉｃｐの通電により、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７−１８間に発生する起電力Ｖｓを検出するものである。また、基準電圧比較回路３９は、予め定められた基準電圧（本実施例では４５０［ｍＶ］）を内部に保持しており、電圧出力回路３５にて検出した起電力Ｖｓと基準電圧との比較を行い、比較結果をポンプ電流駆動回路３３に通知するものである。そして、ポンプ電流駆動回路３３は、基準電圧比較回路３９から受け取った比較結果に基づいて、酸素ポンプセル１１に流すポンプ電流Ｉｐを制御するものである。

全領域空燃比センサ素子１０のうち酸素濃度測定セル１５は、ガス検出室１９の内部の雰囲気をモニタするために備えられており、酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７−１８間には、ガス検出室１９の内部における酸素濃度に応じた起電力Ｖｓが発生する。また、全領域空燃比センサのうち、酸素ポンプセル１１は、ポンプ電流駆動回路３３から供給されるポンプ電流Ｉｐに応じて、ガス検出室１９に対する酸素（Ｏ_２）の汲み出し又は汲み入れを行う。

つまり、全領域空燃比センサ素子１０では、酸素濃度測定セル１５の起電力Ｖｓが一定値（４５０［ｍＶ］）となる様に、つまり、ガス検出室１９の空燃比が理論空燃比となるように、酸素ポンプセル１１を用いてガス検出室１９の内部に対する酸素（Ｏ_２）の汲み出し又は汲み入れが行われる。

このように構成される全領域空燃比センサ素子１０では、酸素ポンプセル１１に流れるポンプ電流Ｉｐの電流値および電流方向が、被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化することから、ポンプ電流Ｉｐの測定結果に基づいて被測定ガス中の酸素濃度を検出できる。なお、本実施の形態では、このポンプ電流Ｉｐの量に比例した電圧（検出信号）をセンサ制御回路３１から図示しないエンジン制御装置側に出力しており、エンジン制御装置がこの検出信号に基づいて被測定ガスの酸素濃度を検出している。

そして、全領域空燃比センサ素子１０は、例えば、内燃機関の排気管に配置されることで排気ガス中の酸素濃度を検出することができる。なお、排気ガス中の酸素濃度と空燃比とには相関関係があることから、検出した酸素濃度を用いることで、内燃機関の空燃比を測定することができる。

また、センサ制御回路３１には、抵抗検出回路３８が備えられており、この抵抗検出回路３８は、測定電流供給回路３７から抵抗値測定用の測定電流Ｉｒｐｖｓを通電したときの多孔質電極１７−１８間の電圧値の変化量に基づいて、酸素濃度測定セル１５における多孔質電極１７−１８間の電気抵抗値（内部抵抗値）Ｒｐｖｓを検出しており、検出した電気抵抗値Ｒｐｖｓに応じた抵抗値信号（電圧信号）Ｓｒをヒータ電圧供給装置４３に対して出力している。ここで、測定電流供給回路３７は、酸素濃度測定セル１５に一定の電流値を有する測定電流Ｉｒｐｖｓ（例えば、−１．２２［ｍＡ］）を供給するものであって、スイッチング素子を有しており、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓを測定する際にエンジン制御装置からの指令信号に基づいてスイッチング素子が駆動され、測定電流Ｉｒｐｖｓを酸素濃度測定セル１５側に所定時間流すように機能するものである。また、抵抗検出回路３８は、電気抵抗値Ｒｐｖｓ測定時における電圧変化のピーク値を保持するためのピークホールド回路である。

そして、ヒータ電圧供給装置４３は、センサ制御回路３１からの抵抗値信号Ｓｒに基づいて、全領域空燃比センサ素子１０（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の温度Ｔｃを検出し、検出した温度Ｔｃに基づいてセラミックヒータ４１への印加電圧を制御している。

なお、全領域空燃比センサ素子１０の酸素濃度測定セル１５における温度Ｔｃと電気抵抗値Ｒｐｖｓとの間には、相関関係があり、電気抵抗値Ｒｐｖｓに基づいて全領域空燃比センサの温度Ｔｃを検出することが可能である。

セラミックヒータ４１は、ヒータ電圧供給装置４３から印加電圧ＶＨが印加されると、印加電圧ＶＨの大きさに応じた発熱量を発生し、全領域空燃比センサ素子１０を加熱する。なお、ヒータ電圧供給装置４３は、マイクロコンピュータを備えて構成されている。そして、このマイクロコンピュータの内部処理として、全領域空燃比センサ素子１０の温度Ｔｃが活性化温度（例えば、６００［℃］）以上の常用温度（例えば、８００［℃］）となるように、換言すれば、酸素濃度測定セル１５の電気抵抗値Ｒｐｖｓがこの常用温度に対応した目標抵抗値Ｒｔａとなるように、センサ制御回路３１からの抵抗値信号Ｓｒに基づきヒータへの印加電圧ＶＨの大きさを調整する温度制御処理が実行される。この結果、酸素ポンプセル１１および酸素濃度測定セル１５が活性化温度以上に加熱され、全領域空燃比センサ素子１０は、酸素を検出可能な活性化状態となる。なお、ヒータ電圧供給装置４３に備えられるマイクロコンピュータにて実行される温度制御処理については、公知の手法を採用して実行すれば良く、具体的には、特開２００３−１８５６２６号公報にて開示された手法等にて実行することができるため、これ以上の説明は省略する。

次に、全領域空燃比センサ素子１０とセンサ制御回路３１とを電気的に接続するための３本のリード線（ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５）について説明する。

ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５は、金属材料（例えば、銅、金、ステンレス合金など）からなる芯線（詳細には、芯線は、金属材料からなる複数の細線が撚られた状態で構成される。）と、芯線の周囲を覆う絶縁性材料（例えば、樹脂、ゴムなど）からなる被覆部と、を備えて構成されている。なお、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５は、芯線を遮蔽するための金属材料からなるシールド部が設けられたシールド線ではなく、シールド無しリード線で構成されている。

ポンプ側リード線５３は、一端が酸素ポンプセル１１の多孔質電極１３に対して電気的に接続されており、他端が接続コネクタ５１の金属端子５２に対して電気的に接続されている。

共通リード線５４は、一端が分岐して酸素ポンプセル１１の多孔質電極１４および酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１７に対して電気的に接続されており、他端が接続コネクタ５１の金属端子５８に対して電気的に接続されている。

測定側リード線５５は、一端が酸素濃度測定セル１５の多孔質電極１８に対して電気的に接続されており、他端が接続コネクタ５１の金属端子５９に対して電気的に接続されている。

そして、接続コネクタ５１がセンサ制御回路３１の接続コネクタ３２に接続されると、全領域空燃比センサ素子１０の多孔質電極１３，１４，１７，１８とセンサ制御回路３１とが、３本のリード線（ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５）を介して電気的に接続される。

次に、３本のリード線（ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５）および接続コネクタ５１の斜視図を図２に示す。
図２に示すように、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５は、それぞれの端部が金属端子５２、５８，５９に接続されており、その金属端子５２、５８，５９は、接続コネクタ５１の内部に収容されている。

また、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５は、互いにねじり合う形態（ツイスト形態）で結束されて他のリード線と接触する状態で、接続コネクタ５１から全領域空燃比センサ素子１０にかけて配設されている。なお、各リード線は、芯線が被覆部で覆われていることから、芯線同士は互いに電気的に絶縁された状態となり、被覆部同士が接触する状態で配設される。なお、図２では、セラミックヒータ４に接続される一対のリード線の図示については省略しているが、セラミックヒータ４に接続されるリード線についても、接続コネクタ５１の内部に収容される金属端子にそれぞれ接続されている。但し、セラミックヒータ４に接続されるリード線は、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５のいずれにもねじり合う形態で結束されていない。

ここで、全領域空燃比センサ素子１０と接続コネクタ５１との間において、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５を介して通電するにあたり、リード線の配設状態が異なる６パターンについて、外部ノイズが電流波形に与える影響を調べるために実施した測定試験について説明する。なお、６パターンのうち、３パターンが本発明を適用した配線状態であり、その他の３パターンが従来の配線状態である。

測定結果として、３本のリード線のうち測定側リード線５５に流れる電流の電流波形を、図４および図５に示す。なお、本発明を適用した配線状態の３パターンについての測定結果を図４に示し、従来の配線状態の３パターンについての測定結果を図５に示す。

本発明を適用した配線状態としては、（１）３本のシールド無しリード線を上記ツイスト形態で結束して各リード線同士が接触する状態で配設した場合（以下、第１測定パターンともいう。）、（２）３本のシールド無しリード線をツイストすることなく３個の結束バンドを略等間隔に配置し、各リード線を結束して各リード線同士が接触する状態で配設した場合（以下、第２測定パターンともいう。）、（３）２本のシールド無しリード線（共通リード線５４、測定側リード線５５）をツイスト形態で結束して互いに接触する状態とし、ポンプ側リード線５３のみを離して配設した場合（以下、第３測定パターンともいう。）の３パターンについて、測定を実施した。

また、従来の配線状態としては、（４）３本のシールド無しリード線を互いに非接触の状態で一定間隔を隔てて平行に配設した場合（以下、第４測定パターンともいう。）、（５）測定側リード線５５をシールド線を用いて形成し、他の２本をシールド無しリード線で形成すると共に、各リード線を互いに非接触の状態で一定間隔を隔てて平行に配設した場合（以下、第５測定パターンともいう。）、（６）３本のリード線を全てシールド線で形成し、各リード線を互いに非接触の状態で一定間隔を隔てて平行に配設した場合（以下、第６測定パターンともいう。）、の３パターンについて、測定を実施した。

なお、第１測定パターンについては、図４（ａ）に測定結果を示し、第２測定パターンについては、図４（ｂ）に測定結果を示し、第３測定パターンについては、図４（ｃ）に測定結果を示す。また、第４測定パターンについては、図５（ａ）に測定結果を示し、第５測定パターンについては、図５（ｂ）に測定結果を示し、第６測定パターンについては、図５（ｃ）に測定結果を示す。

そして、各パターンについて、３本のリード線をノイズ発生源（具体的には、スパークプラグに接続されて高電圧を点火タイミングに供給する点火コイル）の近傍に配設して、測定側リード線５５に流れる電流波形の変動状態を測定することで、測定試験を実施した。

より詳細には、排気量３０００［ｃｃ］のガソリンエンジン（６気筒）に装着された点火コイルの近傍に、全領域空燃比センサ素子１０と接続コネクタ５１とを結ぶリード線のそれぞれの一部を配置して、無負荷、エンジン回転数３０００［ｒｐｍ］にて運転を行いつつ、全領域空燃比センサ素子１０を上述したセンサ制御回路３１を用いて駆動させ、測定側リード線５５に流れる電流波形の変動状態を６パターンそれぞれに対して測定することで実施した。なお、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５は、それぞれ長さ寸法が約８０［ｃｍ］のリード線を用いて形成した。

図４および図５に示すように、少なくとも２本のリード線同士が接触する形態（第１測定パターン、第２測定パターン、第３測定パターン）は、各リード線が互いに非接触となる形態（第４測定パターン、第５測定パターン、第６測定パターン）に比べて、ノイズ成分が低減されていることがわかる。

この測定結果によれば、リード線同士を互いに接触させた状態で配設した場合には、リード線同士が離れた状態で配設した場合にくらべて、ノイズの影響による電流の変動を抑制できることがわかる。また、リード線同士を互いに接触させた状態で配設した場合には、シールド無しリード線を用いたとしても、シールド線を用いる場合と比べて、ノイズ低減の効果が同等あるいはそれ以上に得られることがわかる。

また、第３測定パターンの測定結果によれば、３本のリード線を全て接触させた場合に限らず、共通リード線５４と測定側リード線５５とを接触させた場合においても、ノイズの影響をより良好に抑制できることがわかる。

なお、本願発明者は、上記６パターンとは別に、ポンプ側リード線５３と測定側リード線５５とを接触させた場合、ポンプ側リード線５３と共通リード線５４とを接触させた場合、の２パターンについても、ノイズの影響を調べるために同様の測定を実施した。

その測定試験の測定結果によれば、ポンプ側リード線５３と測定側リード線５５とを接触させた場合に比べて、ポンプ側リード線５３と共通リード線５４とを接触させた場合、および共通リード線５４と測定側リード線５５とを接触させた場合の２パターンの方が、ノイズの影響をより良好に抑制できることが判明した。

このことから、ノイズ低減を目的として、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５を接触させる場合には、少なくとも共通リード線５４を含む２以上のリード線が互いに接触するように配設することが望ましい。

また、リード線同士の接触部分については、全領域空燃比センサ素子１０から接続コネクタ５１までの領域のうち全ての領域で他のリード線と接触する場合に限らず、全領域空燃比センサ素子１０から接続コネクタ５１までの領域のうち少なくとも一部の領域で接触する場合であっても、ノイズの影響を低減できることが、本願発明者が別途実施した測定試験の測定結果から判明している。

なお、本実施形態においては、ガス検出室１９が、特許請求の範囲に記載の測定室に相当するものであり、センサ制御回路３１が制御部に相当しており、セラミックヒータ４１がヒータ部に相当し、センサ制御回路３１およびヒータ電圧供給装置４３がヒータ制御手段に相当し、固体電解質体１２および固体電解質体１６が固体電解質層に相当し、抵抗検出回路３８が抵抗検出部に相当している。

以上説明したように、本実施形態のガス検出システム１は、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５がシールド無しリード線で構成されているものの、各リード線がねじり合う形態で結束されていることから、ノイズの影響を抑えることができ、ガス検出精度の低下を抑えることができる。また、ガス検出システム１は、シールド線を使用しないため、コストの低減を図ることができる。さらに、上述したように、各リード線がねじり合う形態で結束されていることから、ノイズの影響が抑えられ、センサ素子（詳細には、酸素濃度測定セル１５）の電気抵抗値（内部抵抗値）Ｒｐｖｓの検出精度の低下を抑えることができる。

また、本実施形態のガス検出システム１は、電流通電により発熱するセラミックヒータ４１を備えており、セラミックヒータ４１への電流通電に起因してノイズが発生することがあり、そのノイズが、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５に流れる電流に影響を与えることがある。

これに対して、ポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５がねじり合う形態で結束されており、被覆部同士が互いに接触することから、セラミックヒータ４１への通電に伴い発生するノイズの影響を低減することができ、ガス検出精度およびセンサ素子（酸素濃度測定セル１５）の電気抵抗値（内部抵抗値）Ｒｐｖｓの検出精度の低下を抑制することができる。

（実施形態２）
ついで、本発明を適用した実施形態２として、酸素濃度センサとしての限界電流式空燃比センサ（以下、単にＡ／Ｆセンサと記す）を備えるガス検出システム１００について、図面に基づいて説明する。なお、本実施形態２のガス検出システムについても、内燃機関に搭載されるものである。
図６において、ガス検出システム１００はＡ／Ｆセンサを備え、このＡ／Ｆセンサからは、マイクロコンピュータ（以下、単にマイコンと記す）１３０から指令される電圧の印加に伴い、排気ガス中の酸素濃度に応じたリニアな空燃比検出信号が出力される。マイコンは、周知の各種演算処理を実行する中央処理装置としてのＣＰＵ、制御プログラムを格納したＲＯＭ、各種データを格納するＲＡＭ等により構成され、所定の制御プログラムに従ってバイアス制御回路１４０及びヒータ制御回路１６０が制御される。

図７は、Ａ／Ｆセンサの概略構成を示す断面図である。図７に示すように、Ａ／Ｆセンサは、排気管１２５の内部に向けて突設されており、主としてガス導入孔が複数形成されたカバー１２３、Ａ／Ｆセンサ素子１１０及びヒータ部１２０から構成されている。
Ａ／Ｆセンサ素子１１０は、有底筒状に形成されたジルコニアを主体とする固体電解質体１１５と、その固体電解質体１１５の外面に形成された白金からなる多孔質の外側電極１１１と、固体電解質体１１５の内面に形成された白金からなる多孔質の内側電極１１３と、外側電極１１１の外側に形成されたアルミナ、スピネル等からなる多孔質の拡散抵抗層１１７とから構成されている。また、ヒータ部１２０は、Ａ／Ｆセンサ素子１２０内に収容されており、その発熱によりＡ／Ｆセンサ素子１１０（固体電解質体１１５）を所定温度（目標温度）に加熱する。

上記構成のＡ／Ｆセンサにおいて、Ａ／Ｆセンサ素子１１０は理論空燃比よりリーン領域では酸素濃度に応じた限界電流を発生する。また、理論空燃比よりリッチ側の領域では、未燃ガスである一酸化炭素（ＣＯ）、炭化水素（ＨＣ）等の濃度が空燃比に対して略リニアに変化し、Ａ／Ｆセンサ素子１１０はＣＯ、ＨＣ等の濃度に応じた限界電流を発生する。

図１において、Ａ／Ｆセンサ素子１１０に電圧を印加するためのバイアス指令信号Ｖｒは、マイコン１２０からＤ／Ａ変換器１３３に入力され、このＤ／Ａ変換器１３３にてアナログ信号Ｖａに変換されバイアス制御回路１４０に入力される。このバイアス制御回路１４０からは空燃比の検出電圧または素子抵抗の検出電圧のいずれかがＡ／Ｆセンサ素子１１０に印加される。

また、バイアス制御回路１４０は、Ａ／Ｆセンサ素子１１０への電圧の印加に伴い流れるセンサ電流を電流検出回路（抵抗検出回路）１５０にて検出し、この電流検出回路１５０にて検出された電流値のアナログ信号がＡ／Ｄ変換器１３５を介してマイコン１２０に入力される。そして、Ａ／Ｆセンサ素子１１０の内部に配置されたヒータ部１２０は、ヒータ制御回路１６０によりその作動が制御される。つまり、ヒータ制御回路１６０にて、Ａ／Ｆセンサ素子１１０の素子温を制御すべく、ヒータ部１６０の発熱制御（通電制御）が実行される。なお、電流検出回路１５０を含むバイアス制御回路１４０およびヒータ制御回路１６０は、公知の回路構成によって構成すればよいため、それらの説明については省略する。

なお、このガス検出システム１００において、Ａ／Ｆ検出時には、正の印加電圧をＡ／Ｆセンサ素子１１０に印加することにより、その印加電圧に対応してＡ／Ｆセンサ素子１１０から電気信号（センサ電流）が出力されるため、その電気信号から空燃比が求められる。一方、Ａ／Ｆセンサ素子１１０の内部抵抗（素子抵抗）検出時には、所定の周波数信号よりなる単発的かつ所定の時定数を有する負の印加電圧を印加することにより、その印加電圧に対応してＡ／Ｆセンサ素子１１０から電気信号（センサ電流）が検出される。そして、印加電圧をその時のセンサ電流で除することで、Ａ／Ｆセンサ素子１１０の内部抵抗値が検出される。

ここで、本実施形態２のガス検出システム１００においても、Ａ／Ｆセンサ素子１１０の内側電極１１３に第１リード線１７１が接続され、外側電極１１１に第２リード線１７３が接続されており、この第１リード線１７１および第２リード線１７３が電流検出回路１５０にそれぞれ接続されている。この第１リード線１７１および第２リード線１７３は、上述した実施形態１と同様に、金属材料からなる芯線と、芯線の周囲を覆う絶縁性材料からなる被覆部とを備えて構成されており、芯線を遮蔽するための金属材料からなるシールド部を有さないシールド無しリード線で構成されている。

そして、本実施形態２においても、詳細は図示しないが、この２本の第１リード線１７１、第２リード線１７３は、実施形態１と同様に互いにねじり合う形態（ツイスト形態）で結束されて互いのリード線が接触する状態で配設されている。なお、各リード線１７１、１７３は、芯線が被覆部で覆われていることから、芯線同士は互いに電気的に絶縁された状態となり、被覆部同士が接触する状態で配設される。

このように、本実施形態２のガス検出システム１００においても、第１リード線１７１および第２リード線１７３がシールド無しリード線で構成されているものの、各リード線１７１、１７３をねじり合う形態で結束させていることから、ノイズの影響を有効に抑えることができ、空燃比の検出精度およびＡ／Ｆセンサ素子１１０における内部抵抗値の検出精度の低下を抑えることができる。また、ガス検出システム１００は、シールド線を使用しないため、コストの低減を図ることができる。

また、本実施形態２のガス検出システム１００においても、ヒータ部１２０を備えており、ヒータ部１２０への通電に起因してノイズが発生することがあり、そのノイズが第１リード線１７１、第２リード線１７３に流れる電流に影響を与えることがある。これに対し、第１リード線１７１、第２リード線１７３がねじり合う形態で結束されており、被覆部同士が互いに接触することから、ヒータ部１２０への通電に伴い発生するノイズの影響を低減することができ、この観点からも空燃比の検出精度およびＡ／Ｆセンサ素子１１０における内部抵抗値の検出精度の低下を抑制することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態１、２に限定されることなく、種々の態様を採ることができる。
例えば、リード線同士の結束形態としては、ねじり合う形態での結束形態に限られることはなく、図３に示すように、結束用部材の１つである粘着テープ５７を用いて複数のリード線を結束する形態を採ることもできる。このような結束用部材を用いることで、複数のリード線を容易に結束することができ、結束作業の煩雑さを軽減することができる。

なお、結束用部材としては、粘着テープ５７の他に、結束バンド、絶縁チューブ、ガラスチューブやコルゲートチューブなどを挙げることができる。
また、複数のリード線をねじり合う形態を結束した上で、さらに結束用部材を用いて結束するという結束形態を採用することもできる。

なお、ねじり合う形態のみでリード線同士を結束する場合には、結束用部材を必要としないため、システム全体として部品点数を削減でき、材料コストの低減を図ることができるという利点がある。

また、結束用部材を用いない形態としては、ねじり合う形態の他に、いわゆるフラットケーブルのように、複数のリード線を帯状に束ねる形態を採用することもできる。

さらに、センサ素子は、実施形態１に示した酸素濃度測定セルと酸素ポンプセルの２セルを有する全領域空燃比センサ素子や、実施形態２に示した１つの固体電解質体からなる１セルタイプのセンサ素子に限られることはなく、他のセンサ素子（ＮＯｘセンサ素子、ＣＯセンサ素子など）を用いることもできる。

より具体的には、酸素イオン伝導性の固体電解質層を一対の電極で挟んでなる第１酸素ポンピングセル及び酸素濃度測定セルを有し、第１拡散律速層を介して測定対象気体側に連通された第１測定室と、酸素イオン伝導性の固体電解質層を一対の電極で挟んでなる第２酸素ポンピングセルを有し、第２拡散律速層を介して第１測定室と連通された第２測定室とを備えるＮＯｘセンサ（ＮＯｘセンサ素子）に本発明を適用してもよい。なお、このＮＯｘセンサでは、酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように第１酸素ポンピングセルに電流を流して、第１測定室の酸素濃度を一定に制御すると共に、第２酸素ポンピングセルに第２測定室から酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加することにより、第２酸素ポンピングセルに流れる電流値から測定対象気体中の窒素酸化物濃度（ＮＯｘ濃度）を検出することができる。

このような構造のＮＯｘセンサは、第２酸素ポンピングセルに流れる電流が最大でも１〔ｍＡ〕と微弱であるため、車両に搭載される電気機器によるノイズの影響によりガス検出精度が低下し易い傾向にあるが、本発明のように、ＮＯｘセンサを構成する電極と、ＮＯｘ濃度を検出したり、酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出したりする制御部とを繋ぐ複数のリード線をねじり合ったりして、互いのリード線を電気的に絶縁した状態で接触させることで、ガス検出精度を効果的に高めることができる。さらに、酸素濃度測定セルの内部抵抗値の検出精度についても向上させることができるようになる。

また、リード線同士の接触は、センサ素子から制御部までの領域のうち、ノイズの影響を比較的受けやすい領域にて行うことが望ましく、これにより、リード線のうち互いに接触していない部分があっても、適切にノイズの影響を低減することができる。

実施形態１にかかるガス検出システム１の概略構成を表したシステム構成図である。 実施形態１にかかるガス検出システム１において、ねじり合う形態で結束されたポンプ側リード線５３、共通リード線５４、測定側リード線５５および接続コネクタ３２の斜視図である。 結束用部材を用いて結束されたポンプ側リード線、共通リード線、測定側リード線および接続コネクタの斜視図である。 本発明（実施形態１）を適用した配線状態の３パターンについて、外部ノイズが電流波形に与える影響を調べるために実施した測定試験の測定結果である。 従来の配線状態の３パターンについて、外部ノイズが電流波形に与える影響を調べるために実施した測定試験の測定結果である。 実施形態２にかかるガス検出システム１００の概略構成を表したシステム構成図である。 実施形態２にかかるガス検出システム１００において、Ａ／Ｆセンサ（Ａ／Ｆセンサ素子１１０）の概略構成を示す断面図である。

符号の説明

１、１００…ガス検出システム、１０…全領域空燃比センサ素子、１１…酸素ポンプセル、１５…酸素濃度測定セル、１９…ガス検出室、３１…センサ制御回路、３２…接続コネクタ、３８…抵抗検出回路、４１…セラミックヒータ、４３…ヒータ電圧供給装置、５３…ポンプ側リード線、５４…共通リード線、５５…測定側リード線、５７…粘着テープ、１１０…Ａ／Ｆセンサ素子、１２０…ヒータ部、１１５…固体電解質体、１４０…バイアス制御回路、１５０…電流検出回路（抵抗検出回路）、１６０…ヒータ制御回路、１７１…第１リード線、１７３…第２リード線。

Claims (8)

1. 酸素イオン伝導性の固体電解質層を１対の電極で挟んでなる酸素ポンプセルと、酸素イオン伝導性の固体電解質層を１対の電極で挟んでなる酸素濃度測定セルとを備え、前記酸素ポンプセルと前記酸素濃度測定セルとの間に測定対象気体が導入される測定室を備える形態で、前記酸素ポンプセルおよび前記酸素濃度測定セルを積層してなるセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記複数の電極に接続される複数のリード線と、
   前記リード線を介して前記センサ素子の前記複数の電極に電気的に接続され、前記酸素濃度測定セルの出力電圧が一定値となるように前記酸素ポンプセルに電流を流して、前記測定室の酸素濃度を一定に制御する制御部と、
   前記センサ素子の前記酸素ポンプセルおよび前記酸素濃度測定セルを加熱するヒータ部と、
   を備えるガス検出システムであって、
   前記複数のリード線には、前記測定室に面する複数の電極に接続される１本の共通リード線が少なくとも含まれており、
   前記共通リード線は、前記複数のリード線のうち当該共通リード線以外のリード線の少なくとも１本に対し、電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で結束され、前記ヒータ部に接続されるヒータ部リード線は、前記共通リード線を含む前記センサ素子に接続した前記複数のリード線に対して結束せずに非接触状態とされていること、
   を特徴とするガス検出システム。
2. 前記共通リード線を含む前記複数のリード線を介して出力される電気信号に基づいて前記酸素濃度測定セルの内部抵抗値を検出し、検出した内部抵抗値が予め定められた目標抵抗値となるように、前記ヒータ部の発熱量を制御するヒータ制御手段と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載のガス検出システム。
3. 複数のリード線を束ねる結束用部材が備えられ、
   前記共通リード線は、前記結束用部材により他のリード線と結束されることで、他の前記リード線と接触すること、
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検出システム。
4. 前記共通リード線は、他の前記リード線とねじり合う形態で結束されることにより、他の前記リード線と接触すること、
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のガス検出システム。
5. 前記共通リード線は、他の前記リード線の全てと接触すること、
   を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガス検出システム。
6. 酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体上に形成される複数の電極とを備えるセンサ素子と、
   前記センサ素子の前記複数の電極に接続される複数のリード線と、
   前記複数のリード線を介して出力される電気信号に基づいて前記センサ素子の内部抵抗値を検出する抵抗検出部と、
   前記センサ素子を加熱するヒータ部と、
   を備えるガス検出システムであって、
   前記複数のリード線は、いずれも、他のいずれかのリード線と電気的に絶縁された状態で接触する部分を有する形態で結束され、前記ヒータ部に接続されるヒータ部リード線は、前記センサ素子に接続した前記複数のリード線に対して結束せずに非接触状態とされていること、
   を特徴とするガス検出システム。
7. 複数のリード線を束ねる結束用部材が備えられ、
   前記複数のリード線は、前記結束用部材より結束されることで、いずれも、他のいずれかのリード線と接触すること、
   を特徴とする請求項６に記載のガス検出システム。
8. 前記複数のリード線は、いずれもが他のリード線とねじり合う形態で結束されることにより、いずれも、他のいずれかのリード線と接触すること、
   を特徴とする請求項６に記載のガス検出システム。