JP4682465B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、限界電流式のガス濃度センサを用い、被検出ガス中の特性ガス成分の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、例えば自動車の排ガス中のＮＯｘを検出するものがある。ガス濃度センサは基本構造として、第１セル（ポンプセル）と第２セル（センサセル）とを備え、第１セルでは、チャンバー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、第２セルでは、第１セルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度（特定ガス成分の濃度）が検出される。これら第１セル、第２セルは、電圧の印加に伴い酸素濃度やＮＯｘ濃度に応じて電流信号を出力する。
【０００３】
また、ガス濃度センサとして上記第１セル及び第２セルに加え、チャンバー内の酸素濃度に応じた起電力を発生するモニタセルを有するものがあり、同センサにおける第１セルへの印加電圧を制御する従来手法として、モニタセルの起電力により前記印加電圧をＰＩＤフィードバックする手法が提案されている（例えば、社団法人自動車技術会 学術講演会前刷集９７１ １９９７−５ ９７３１９５６、ＳＡＥ９７０８５８参照）。つまり、この手法では、チャンバー内を所定の低酸素濃度に保つべく設定したモニタセル起電力の目標値と、実際のモニタセル起電力との偏差に基づいて第１セルの印加電圧をその都度フィードバック制御するようにしていた。
【０００４】
しかしながら、ガス濃度センサが排ガス濃度を検出する際、排ガスは先ず第１セル近傍に導入され、その後、チャンバー内を下流側に流れてモニタセルに到達する。従って、排ガス濃度が変化した際、モニタセルに排ガスが到達するまでの遅れによりモニタセル近傍の酸素濃度と第１セル近傍の酸素濃度とが相違し、モニタセル近傍の酸素濃度が安定するのに時間がかかる。特に、第１セルが設けられるチャンバーとモニタセルが設けられるチャンバーとが絞り通路（拡散通路）を介して連通されているガス濃度センサでは、上記の問題が顕著となる。その結果、モニタセルの起電力により第１セルの印加電圧をフィードバック制御する際、フィードバックの制御位相のズレにより発振現象が生じる。
【０００５】
例えば、排ガスがリーンに切り替わり多量の酸素がチャンバー内に導入される場合、モニタセルは直ぐにはリーンだと判断できない。そのため、モニタセルの起電力によるフィードバックでは第１セルでの酸素排出が不十分となり、残留酸素が必要以上に残ってしまう。その後、排ガスリーンの状態をモニタセルで遅れて判断すると、残留酸素を急激に排出させるよう第１セルに過大な電圧が印加される。それ以後、チャンバー内の残留酸素が完全に排出されても、暫くはモニタセルはリーンだと判断し続ける。そして、チャンバー内の酸素を排出しすぎたと遅れて分かった後、第１セルの印加電圧が急激に低下側に変更される。
【０００６】
上記の現象が繰り返されることで、第１セルの印加電圧制御の系が発振してしまい、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動する。その結果、第２セルでの残留酸素が増えて残留酸素の分解に伴うオフセット電流が増大したり、第１セルでＮＯｘ分解してしまい第２セルでのＮＯｘ分解量が減少したりするといった問題が生じ、ＮＯｘ濃度（特定ガス成分の濃度）の検出精度が低下する。
【０００７】
また、経時変化（素子劣化）や排ガス温度の変化等により各セルの反応速度が低下する場合にも同様に、チャンバー内の残留酸素量が変動し、その影響でＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。例えば、電極劣化によりリッチガス時にモニタセルの電極にリッチ成分（ＨＣ等）が付着すると、排ガスがリーンに切り替わってもモニタセルはリッチガスのままだと誤認識し、これにより、実際にはリーン状態のチャンバー内に更に酸素を汲み込むよう第１セルの印加電圧が制御される。その後、モニタセルの電極に付着したＨＣが酸素と反応して離脱すると、モニタセルがリーン状態を認識してチャンバー内の酸素を排出するよう第１セルの印加電圧が制御されるが、この時点でチャンバー内は酸素濃度は過剰に増加しているため、その増加分だけ過剰な印加電圧が第１セルに印加されることとなる。
【０００８】
排ガスがリーンからリッチに切り替わる際にも同様に、経時変化等によりモニタセルの反応速度が低下してモニタセルの電極にリーン成分（酸素等）が付着すると、モニタセルはリーン状態だと誤認識し、チャンバー内の酸素を排出するように第１セルの印加電圧が制御されてしまう。つまり、酸素に加えてＮＯｘまでも分解するような過剰な印加電圧が第１セルに印加されることとなる。
【０００９】
上記の現象が繰り返されることで、やはり第１セルの印加電圧制御の系が発振してしまい、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動する。その結果、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、被検出ガス中の特定ガス成分の濃度を精度良く検出す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。
【００１１】
【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、少なくとも第１セル、第２セル及びモニタセルを備えるガス濃度センサを用い、このガス濃度センサによる検出結果に基づいてガス濃度検出を実施することを前提としている。そして、請求項１に記載のガス濃度検出装置では、第１セルの電流値と印加電圧との関係を予め規定した印加電圧特性に基づき、第１セルで特定ガス成分が分解されない程度に、その都度の第１セルの電流値に応じて第１セルの印加電圧を設定する（印加電圧設定手段）。さらに、第１セルの印加電圧を前記印加電圧設定手段によって設定した印加電圧へ変化させる際に、その変化速度を可変に設定する（変化速度設定手段）。また、前記変化速度設定手段によって設定した変化速度に従って、前記印加電圧設定手段によって設定した印加電圧を第１セルに出力する（印加電圧制御手段）。
【００１２】
本発明では、ＰＩＤ手法等によりモニタセル起電力を目標値にフィードバックさせる従来技術とは異なり、予め規定した印加電圧特性を用いて第１セルの印加電圧が制御される。そのため、モニタセルでの応答遅れ等が原因で第１セルの印加電圧制御の系が発振し、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動するといった不具合が生じることはない。それ故に、ガス濃度の検出精度低下を招く要因が解消される。
【００１３】
また、モニタセル信号をフィードバックして印加電圧制御を実施していた従来技術の場合、リーン側へのガス濃度変化時において各種信号の推移は図２２の（ｂ）のようになる。つまり、ガス濃度の変化に際して、その変化をモニタセルで検知するまでに所定の無駄時間を要し、ガス濃度変化をモニタセルで検知した直後にはモニタセル信号が変動する。また、第１セルとモニタセルとの反応速度の違いによる発振を防止するにはフィードバックゲインを小さくせざるを得ず、それ故に第１セルの印加電圧（第１セル電圧）はゆっくりと変化する。従って、残留酸素の排出が不十分、すなわち残留酸素過多となることから、第２セル電流として一時的に過大な電流信号が出力される。実際には、第２セル電流やモニタセル信号が安定するまでの応答時間が経過するまでは、正確なガス濃度検出が実施できない。
【００１４】
これに対し本発明によれば、図２２の（ａ）に示すように、ガス濃度変化に際し、第１セル電流が変化すると、それに追従しながら第１セル電圧が直ぐに所望の目標値に制御される。その結果、チャンバー内で残留酸素過多となることはなく、モニタセル信号も変動しない。従って、第２セルでは、特定ガス成分の濃度に応じた電流を高応答で検出することができる。
【００２１】
また、ガス濃度の変化時には、チャンバー内に導入される酸素量が変化するために第１セルの電流値が変化し、それに伴い第１セルの印加電圧が変更されるが、このとき変化速度設定手段によって印加電圧の変化速度を可変に設定すれば、第１セルによる残留酸素の排出又は汲み込みを迅速に行わせることが可能となる。従って、ガス濃度の検出応答性が向上すると共に、ガス濃度の検出精度がより一層向上する。
【００２２】
上記請求項１の変化速度設定手段としてより具体的には、請求項２に記載したように、前記印加電圧設定手段により設定した印加電圧と、その時々の第１セルの印加電圧との差に基づき、その差が大きいほど印加電圧の変化速度を大きくすると良い。また、請求項３に記載したように、印加電圧の変更の周期を可変に設定したり、その際、請求項４に記載したように、前記印加電圧設定手段により設定した印加電圧と、その時々の第１セルの印加電圧との差が比較的小さい場合に、印加電圧の変更の周期を長くしたりしても良い。
【００２３】
請求項２の発明によれば、印加電圧の偏差が大きい場合において、第１セルの印加電圧をいち早く目標値（設定電圧）に近づけることができる。
また、請求項３，４の発明によれば、印加電圧の収束を早めることができることに加え、印加電圧の変更周期の調整により、印加電圧の変更時におけるピーク電流の影響が排除できるようになる。つまり、印加電圧の変更時には、第１セルの電流値としてピーク電流（テーリング）が発生するが、そのピーク電流が収まってから次の印加電圧の変更が実施できるようになる。また、第１セルの印加電圧が目標値（設定電圧）付近に収束する場合において、信頼性の高い印加電圧制御が実現できる。
【００２４】
因みに、図２３はガス濃度センサの等価回路を示しており、この等価回路において、Ｒｇは酸素イオンに対する固体電解質（ジルコニア素子）の粒子抵抗、ＲｈとＣｈはそれぞれ固体電解質の粒子の界面における粒界抵抗と粒界容量、ＲｆとＣｆはそれぞれ電極界面抵抗と電極界面容量である。この場合、図２４に示すように、ガス濃度センサへの印加電圧を変更する際には、上記Ｃｈ，Ｃｆに蓄えられる電荷の影響からセンサ電流として電圧変更直後にピーク電流が発生する。こうした実状に対し、請求項３，４の構成によれば、ガス濃度センサの容量特性の影響を受けない状態で、第１セルの印加電圧制御が実施できるようになる。
【００２５】
また、請求項５に記載の発明では、前記被検出ガスを多孔質拡散層を通してチャンバーに導入するとともに、第１セルによる電流検出範囲が予め規定され且つ、第１セルの印加電圧特性として、第１セルの出力特性上で、印加電圧と電流値が比例の関係にあり、この比例の関係を表す直線の傾きが第１セルの素子抵抗に概ね一致する領域である抵抗支配領域の傾きにほぼ同等の傾きを持つ印加電圧直線が設定されており、第１セルによる電流検出範囲外の領域では、前記の印加電圧直線とは正負逆の傾きを持つ別の印加電圧直線が設定されている（図１０参照）。この場合、電流検出範囲外の領域において、検出電流の増加が制限される。そのため、検出電流が過剰に増加することに伴う発熱等の問題が解消される。
【００２６】
また、エンジンの排ガス成分を検出するためのガス濃度センサ等では、ガス濃度センサの作動開始時にはチャンバー内は大気の状態にあり、多くの酸素が充満している。従って、チャンバー内が残留酸素過多の状態であることから、ガス濃度の検出精度が悪化してしまい、ガス濃度検出を実施することができない。この場合、通常の印加電圧制御では、チャンバー内の残留酸素が迅速に排出できず、ガス濃度の検出を早期に実施することができない。
【００２７】
そこで、請求項６に記載の発明では、ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間にて、通常の第１セル印加電圧よりも高い電圧を第１セルに強制的に印加し、第１セルでの酸素排出能力を強制的に高めるように構成している。これにより、チャンバー内の残留酸素がいち早く排出され、ガス濃度の検出が早期に開始できるようになる。
【００２８】
上記請求項６の発明では、請求項７に記載したように、ガス濃度センサの作動開始直後であり、且つモニタセル出力が規定範囲から外れることを条件に、前記通常の第１セル印加電圧よりも高い電圧を第１セルに印加すると良い。つまり、ガス濃度センサの作動が停止され、その直後に作動が再開される場合、チャンバー内の残留酸素量は概ね作動中とほぼ同等である。またこの場合、モニタセル出力は、通常の出力レベルであり、所定の規定範囲内にある。それ故、モニタセル出力レベルを実施条件として高電圧印加の要否を判断すれば、必要時にのみ、所望とする強制的な酸素排出動作が実現できるようになる。
【００２９】
これらの発明に対して、請求項８に記載したように、第１セルが設けられるチャンバーと、モニタセルが設けられるチャンバーとが拡散通路を介して連通されるガス濃度センサでは、モニタセルでの応答遅れの問題が顕著になるが、かかるガス濃度センサを用いた場合にも既述の問題が解消される。
【００３０】
上記発明では、請求項９に記載したように、第１セルの電流値毎に対応する第１セルの印加電圧がマップデータとして予め用意されており、前記印加電圧設定手段は、前記のマップデータを用いて第１セルの印加電圧を設定すると良い。
【００３１】
また、請求項１０に記載の発明では印加電圧補正手段を更に備え、この印加電圧補正手段は、チャンバー内における残留酸素の変化要因に応じて、第１セルの印加電圧特性、又は前記印加電圧設定手段により設定した第１セルの印加電圧を補正する。
【００３２】
ここで言う「チャンバー内における残留酸素の変化要因」とは、被検出ガスの濃度変化、第１セルの活性状態の変化、個体差等を含むものであり、それが原因で、前記印加電圧特性に基づいて第１セルに電圧を印加してもチャンバー内の残留酸素量（第１セル通過後ガスの酸素濃度）が一定に保てなくなることが考えられる。これに対し本発明では、上記の如く印加電圧補正が実施されるため、チャンバー内の残留酸素量が常に適正化される。それ故、残留酸素量の変化により特定ガス成分の濃度が誤検出されるといった不具合が解消でき、被検出ガス中の特定ガス成分の濃度が精度良く検出できる。
【００３３】
上記請求項１０の印加電圧補正手段としてより具体的には、請求項１１に記載したように、モニタセルの出力に基づき印加電圧補正を実施したり、請求項１２に記載したように、第１セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値（第１セルの素子抵抗）に基づき印加電圧補正を実施したりすると良い。つまり、残留酸素量の変化はモニタセル出力から検知でき、そのモニタセル出力により印加電圧補正を実施することで、チャンバー内の残留酸素量を適正化するように印加電圧を制御することが可能となる。また、第１セルの素子抵抗が変化すると、同一の印加電圧であっても第１セルでの酸素排出量が変動する。そのため、チャンバー内の残留酸素量が変動するが、第１セルの素子抵抗により印加電圧補正を実施することで、やはりチャンバー内の残留酸素量を適正化するように印加電圧を制御することが可能となる。
【００３４】
また、請求項１３に記載の発明では第２セル出力補正手段を備え、この第２セル出力補正手段は、モニタセルの出力を取り込み、そのモニタセル出力により第２セルの電流出力を補正する。つまり、第２セルの電流出力には当該第２セルでの特定ガス成分の分解電流分に加え、チャンバー内の残留酸素の分解電流（いわゆるオフセット電流）が含まれる。この場合、上記の如く第２セルの電流出力を補正することにより、残留酸素量の変動に伴う特定ガスの濃度誤検出が防止できる。その結果、被検出ガス中の特性ガス成分の濃度が精度良く検出できる。
【００３５】
なお本明細書で言う「モニタセル出力」とは、酸素濃淡電池として働くモニタセルの起電力そのものを指す他に、モニタセル電極に所定の電圧を印加し、それにより得られる電流出力をも含むものである。
【００５０】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の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、例えば自動車用ガソリンエンジンに適用されるものであって、限界電流式のガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガスから酸素濃度を検出すると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。
【００５１】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を説明する。ガス濃度センサは、ポンプセル（第１セル）、モニタセル及びセンサセル（第２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るものであり、その断面構造を図２を用いて詳細に説明する。
【００５２】
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は板状をなし、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チャンバー１４４内に導入される。第１チャンバー１４４は、拡散通路としての絞り部１４５を介して第２チャンバー１４６に連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００５３】
また、図の下側の固体電解質１４２には、ポンプセル１１０及びモニタセル１２０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバー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、その際に排ガス中の酸素濃度を検出する。モニタセル１２０は、第２チャンバー１４６内の酸素濃度に応じた起電力、又は電圧印加時に電流出力を発生する。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チャンバー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。また、モニタセル１２０も同様に、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１２１，１２２を有し、そのうち特に第２チャンバー１４６側の電極１２１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。これらポンプセル１１０及びモニタセル１２０は、チャンバー１４４，１４６内に存在する酸素を分解して電極１１２，１２２より大気通路１５０側に排出する。
【００５４】
センサセル１３０は、前記モニタセル１２０に対向して設けられており、固体電解質１４１を挟んで上下一対の電極１３１，１３２を有する。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濃度を検出するものであり、第２チャンバー１４６内でＮＯｘを分解した時に発生する酸素を電極１３２より大気通路１４８側に排出する。
【００５５】
固体電解質１４２の図の下面には絶縁層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１５１が埋設されている。
【００５６】
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チャンバー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１１０の電極１１１，１１２間に電圧を印加することで分解反応が起こり、第１チャンバー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チャンバー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。
【００５７】
その後、ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバー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、該モニタセル１２０の電極１２１，１２２間に所定の電圧を印加することで、モニタセル電流として検出される。また、センサセル１３０の電極１３１，１３２間に所定の電圧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。その際、センサセル１３０に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として検出される。
【００５８】
次に、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。なお、図３（ａ）〜（ｃ）は酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでの基本特性を示す。先ずは、ポンプセル特性を図３（ａ）を用いて説明する。
【００５９】
図３（ａ）は、ポンプセル特性としてのポンプセル印加電圧Ｖｐとポンプセル電流Ｉｐとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、ポンプセル１１０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。限界電流域はＶ軸に対して僅かに右上がりの直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど（リーンであるほど）電圧値が大きくなる方向にシフトする。同特性の抵抗支配域の傾きは概ねポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐに一致する。
【００６０】
ここで、ポンプセル電流Ｉｐと印加電圧Ｖｐとの関係は印加電圧特性として予め規定されており、この印加電圧特性に従いその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐが可変に制御されるようになっている。すなわち、ポンプセル１１０の印加電圧特性として、傾き＝ａ、オフセット＝ｂからなる印加電圧直線ＬＸ１が規定されており、印加電圧直線ＬＸ１上でポンプセル印加電圧Ｖｐが設定される。因みに、ポンプセル１１０の電極１１１（第１チャンバー１４４側の電極）はＮＯｘ不活性電極であるが、ポンプセル印加電圧Ｖｐが大きすぎるとＮＯｘが分解されてしまうことから、印加電圧直線ＬＸ１はポンプセル１１０でＮＯｘガスを分解しない程度に設定される。実際には、第１チャンバー１４４内を所定の低酸素濃度（ストイキ近傍）に保持するべく印加電圧直線ＬＸ１が設定されており、例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度の僅かな残留酸素（余剰酸素）が第１チャンバー１４４内に残るようポンプセル印加電圧Ｖｐが制御される。
【００６１】
また、図３（ｂ）は、モニタセル特性としてのモニタセル印加電圧Ｖｍとモニタセル電流Ｉｍとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、モニタセル１２０は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。つまり、モニタセル１２０は、第２チャンバー１４６内の酸素濃度に応じた出力を発生し、その際、モニタセル１２０に所定の電圧Ｖｍ１を印加することにより電流値Ｉｍ１を出力する。この場合、ポンプセル１１０での酸素の出し入れにより第１チャンバー１４４と共に第２チャンバー１４６内が所定の低酸素濃度（例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度）に保持されていれば、例えば０．５〜２μＡ程度のモニタセル電流Ｉｍが流れる。
【００６２】
更に、図３（ｃ）は、センサセル特性としてのセンサセル印加電圧Ｖｓとセンサセル電流Ｉｓとの関係を示すＶ−Ｉ特性図であり、センサセル１３０はガス中のＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。この場合、センサセル１３０に所定の電圧Ｖｓ１を印加することにより、第２チャンバー１４６内のＮＯｘ濃度に応じた電流値Ｉｓ１を出力する。
【００６３】
図１には、上記構成のガス濃度センサ１００を用いたガス濃度検出装置の概略構成を示す。マイコン１７０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ変換器等を備える周知の論理演算回路で構成されている。ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０はそれぞれに電源回路を有しており、各電源回路において、ポンプセル電流Ｉｐは電流検出器１７１で測定され、モニタセル電流Ｉｍは電流検出器１７２で測定され、センサセル電流Ｉｓは電流検出器１７３で測定される。これら各電流検出器１７１〜１７３で測定された電流値はそれぞれマイコン１７０に取り込まれる。
【００６４】
マイコン１７０は、電流検出器１７１で測定したポンプセル電流Ｉｐにより排ガス中の酸素濃度を検出すると共に、前記図３の印加電圧直線ＬＸ１を用い、ポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを随時設定する。このとき、ポンプセル１１０でＮＯｘが分解されない程度にポンプセル印加電圧Ｖｐが設定される。また、マイコン１７０は、電流検出器１７２で測定したモニタセル電流Ｉｍに応じてポンプセル１１０の印加電圧特性を補正する。更に、マイコン１７０は、電流検出器１７３で測定したセンサセル電流Ｉｓにより排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。
【００６５】
また本実施の形態では、ポンプセル１１０を対象に、掃引法を用いて素子インピーダンス（素子抵抗）が検出される。つまり、ポンプセル１１０のインピーダンス検出時には、マイコン１７０により、ポンプセル印加電圧Ｖｐが正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に切り換えられ、この印加電圧がＬＰＦ（ローパスフィルタ）１８０により正弦波的になまされつつポンプセル１１０に印加される。交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ１８０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ポンプセル１１０の素子インピーダンスが算出される。なお、ＬＰＦ１８０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れば良い。
【００６６】
一方で、マイコン１７０においては、ポンプセル電流Ｉｐの検出範囲（電流検出範囲）が予め設定されており、それは図４に示すポンプセル１１０のＶ−Ｉ特性上、酸素濃度検出範囲として規定されている。すなわち、本実施の形態では一例として、Ｉｐ＝−１．８ｍＡ〜２ｍＡの範囲を酸素濃度検出範囲としており、少なくともその酸素濃度検出範囲内でポンプセル印加電圧Ｖｐが可変となるよう前述の印加電圧直線ＬＸ１が設定されている。この印加電圧直線ＬＸ１は、マップデータとしてマイコン１７０に予め用意されている。なお、酸素濃度検出範囲外の検出不要領域では、ポンプセル印加電圧Ｖｐをそれ以上変化させる必要がないため、印加電圧直線ＬＸ１を直立させている。
【００６７】
次に、ポンプセル印加電圧特性の補正の概要を図５を用いて具体的に説明する。なお、図５（ａ）〜（ｃ）は前記図３（ａ）〜（ｃ）と同様に、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでのポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を示す図面であり、図中、実線で示す特性（図の丸数字１）は前記図３で説明した基本特性である。
【００６８】
排ガス温度の低下や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが上昇する場合、ポンプセル特性は、図５（ａ）に実線で示す基本特性（図の丸数字１）から点線で示す特性（図の丸数字２）に変化し、印加電圧直線ＬＸ１上で設定されるポンプセル印加電圧Ｖｐでは十分に酸素を分解することができなくなる。因みにこの現象は、限界電流域が僅かに図の右上がりに傾斜していることに起因しており、ポンプセル特性が点線のように寝るほど、分解不十分となる酸素量が増えることになる。そのため、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素が増加し、図５（ｂ）に示すように、モニタセル特性が実線から点線に変化する（モニタセルの電流値はＩｍ１→Ｉｍ２に変化）。また、センサセル１３０では、ＮＯｘと同時に分解される酸素量が増加することから、図５（ｃ）に示すように、センサセル特性も同様に実線から点線に変化し、これがＮＯｘ濃度の検出誤差となって現れる（検出誤差＝Ｉｓ２−Ｉｓ１）。
【００６９】
一方、排ガス温度の上昇や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下する場合には、ポンプセル特性は、図５（ａ）に実線で示す基本特性（図の丸数字１）から二点鎖線で示す特性（図の丸数字３）に変化し、印加電圧直線ＬＸ１上で設定されるポンプセル印加電圧Ｖｐでは、残留酸素を完全に分解してしまうと共にポンプセル１１０でＮＯｘまで分解してしまう。そのため、図５（ｂ）に示すように、モニタセル特性が実線から二点鎖線に変化する（モニタセルの電流値はＩｍ１→Ｉｍ３に変化）。また、ＮＯｘの一部がポンプセル１１０で分解されてしまうことから、図５（ｃ）に示すように、センサセル特性も同様に実線から二点鎖線に変化し、これがＮＯｘ濃度の検出誤差となって現れる（検出誤差＝Ｉｓ３−Ｉｓ１）。
【００７０】
上記の通り、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが不用意に変化すると第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が変化し、それが原因でＮＯｘ濃度の検出誤差が生じる。そこで、本実施の形態の装置では、残留酸素量の変化をモニタセル特性（モニタセル電流Ｉｍ）から把握し、それによりポンプセル１１０の印加電圧特性を補正することを考える。
【００７１】
すなわち、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが上昇し、残留酸素量が増えた場合には、ポンプセル１１０での酸素分解量を増やす必要があることから、その時のモニタセル電流値Ｉｍ２に基づいて、図５（ａ）に示す印加電圧直線をＬＸ１（実線）からＬＸ２（点線）に変更する。この場合、印加電圧直線ＬＸ１の傾き（前記図３の傾きａ）が小さくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐが増加方向に補正される。従って、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素が減量されて正常量に戻り、図５（ｂ）のモニタセル特性、図５（ｃ）のセンサセル特性が共に実線で示す特性となる。故に、ＮＯｘ濃度の検出誤差が解消される。
【００７２】
また、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下し、ポンプセル１１０でＮＯｘが分解される場合には、ポンプセル１１０での酸素分解量を減らす必要があることから、その時のモニタセル電流値Ｉｍ３に基づいて、図５（ａ）に示す印加電圧直線をＬＸ１（実線）からＬＸ３（二点鎖線）に変更する。この場合、印加電圧直線ＬＸ１の傾き（前記図３の傾きａ）が大きくなり、ポンプセル印加電圧Ｖｐが減少方向に補正される。従って、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素が増量されて正常量に戻り、図５（ｂ）のモニタセル特性、図５（ｃ）のセンサセル特性が共に実線で示す特性となる。故に、ＮＯｘ濃度の検出誤差が解消される。
【００７３】
次に、マイコン１７０により実現されるポンプセル印加電圧の制御手順を詳細に説明する。図６は、マイコン１７０により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンはマイコン１７０への電源投入に伴い起動される。
【００７４】
図６において、先ずステップ１００では、前回の酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ１１０に進み、それ以降の酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出処理を実施する。
【００７５】
すなわち、ステップ１１０では、その時のモニタセル電流Ｉｍに応じてポンプセル１１０の印加電圧特性を補正する。ポンプセル印加電圧特性の補正処理については図７のフローチャートに示し、その詳細は後述する。この際、マップデータとして与えられる前述の印加電圧直線ＬＸ１が必要に応じて補正される。その後、ステップ１２０では、電流検出器１７１で測定したポンプセル電流Ｉｐを読み込み、続くステップ１３０では、前記ステップ１１０での補正後の印加電圧直線ＬＸ１を用い、前記読み込んだポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを設定する。
【００７６】
その後、ステップ１４０では、ポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度を設定する。ポンプセル印加電圧の変化速度設定処理については図８のフローチャートに示し、その詳細は後述する。
【００７７】
更にその後、ステップ１５０では、前記ステップ１３０で設定したポンプセル印加電圧Ｖｐを、前記ステップ１４０で設定した変化速度に従い出力する。続くステップ１６０では、印加電圧の出力後にポンプセル電流Ｉｐが安定した状態で当該ポンプセル電流Ｉｐに基づいて排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）を検出する。またこのとき、センサセル電流Ｉｓに基づいて排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。因みに、センサセル１３０に関しては、予め規定されたセンサセル印加電圧Ｖｓ（固定値）がマイコン１７０から常に出力されるようになっている。
【００７８】
酸素濃度及びＮＯｘ濃度の検出後、ステップ１７０では、前回の素子インピーダンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子インピーダンスＲｉｐの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップ１７０がＹＥＳであることを条件に、ステップ１８０で素子インピーダンスＲｉｐを検出すると共に、続くステップ１９０でヒータ通電制御を実施する。
【００７９】
ここで、上記ステップ１８０の素子インピーダンスＲｉｐの検出時には、ポンプセル印加電圧Ｖｐが操作され、それまでの残留酸素濃度検出用の印加電圧に対して電圧が正側又は負側に数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で単発的に切り替えられる。そして、その時のポンプセル印加電圧Ｖｐの変化量とポンプセル電流Ｉｐの変化量とが読み取られ、電圧変化量と電流変化量とから素子インピーダンスＲｉｐが算出される（Ｒｉｐ＝電圧変化量／電流変化量）。
【００８０】
また、上記ステップ１９０のヒータ通電制御時には、素子インピーダンスＲｉｐが所望の目標値に一致するようヒータ通電が制御される。その一例として、ガス濃度センサ１００の素子温が低く、素子インピーダンスＲｉｐが比較的大きい場合には、例えばデューティ比１００％の全通電制御によりヒータ１５１が通電される。また、素子温が上昇すると、周知のＰＩＤ制御手法等を用いて制御デューティ比が算出され、そのデューティ比によりヒータ１５１が通電される。
【００８１】
なお、上記図６のステップ１１０が特許請求の範囲に記載した「印加電圧補正手段」に、ステップ１３０が同「印加電圧設定手段」に、ステップ１４０が同「変化速度設定手段」に、ステップ１５０が同「印加電圧制御手段」に、それぞれ相当する。
【００８２】
次に、ポンプセル印加電圧特性の補正手順（前記図６のステップ１１０）について、図７のフローチャートを用いて説明する。
図７において、先ずステップ１１１では、今現在、所定の補正タイミングであるか否かを判別する。例えば、１０〜数１００ｍｓｅｃ毎にステップ１１１が肯定判別される。そして、続くステップ１１２では、電流検出器１７２で測定したモニタセル電流Ｉｍを読み込む。その後、ステップ１１３では、モニタセル電流の偏差ΔＩｍを算出する。つまり、第２チャンバー１４６内を所定の低酸素濃度（ストイキ近傍）に保つための目標モニタセル電流Ｉｍｔｇ（例えば、０．５〜２μＡ程度）と、上記測定したモニタセル電流Ｉｍとの差を偏差ΔＩｍとする（ΔＩｍ＝Ｉｍｔｇ−Ｉｍ）。
【００８３】
その後、ステップ１１４では、モニタセル電流の偏差ΔＩｍによりポンプセル印加電圧の補正量ΔＶｐを算出する。このとき、補正量ΔＶｐは、モニタセル電流の偏差ΔＩｍを解消するために必要なポンプセル印加電圧の増減幅であり、モニタセル電流の実測値が目標値よりも高い場合（ΔＩｍ＜０の場合）、正の補正量ΔＶｐが設定される。また、モニタセル電流の実測値が目標値よりも低い場合（ΔＩｍ＞０の場合）、負の補正量ΔＶｐが設定される。
【００８４】
その後、ステップ１１５では、補正量ΔＶｐの絶対値に基づいて印加電圧直線ＬＸ１の傾き補正量ａ１を算出する。なおここで、補正量ΔＶｐの絶対値と傾き補正量ａ１とは概ね比例関係にある。更にその後、ステップ１１６では、前記補正量ΔＶｐが正か負かを判別し、正の場合ステップ１１７に進み、印加電圧直線ＬＸ１の傾きを前記補正量ａ１だけ小さくする。また、前記補正量ΔＶｐが負の場合ステップ１１８に進み、印加電圧直線ＬＸ１の傾きを前記補正量ａ１だけ大きくする。最後にステップ１１９では、補正後の印加電圧直線の傾きをメモリに保存する。
【００８５】
上記ステップ１１７によれば、印加電圧直線が例えば図５（ａ）のＬＸ１からＬＸ２に切り替わり、第１チャンバー１４４内の残留酸素を減らす方向（より多く分解する方向）にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正される。また、上記ステップ１１８によれば、印加電圧直線が例えば図５（ａ）のＬＸ１からＬＸ３に切り替わり、第１チャンバー１４４内の残留酸素を増やす方向にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正される。更に言い加えると、ステップ１１７，１１８によれば、モニタセル電流Ｉｍが目標モニタセル電流Ｉｍｔｇ（＝図５のＩｍ１）に制御され、これにより、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の酸素濃度が一定に保持される。
【００８６】
上記の通り印加電圧特性が補正されると、マイコン１７０は、印加電圧特性の補正の周期（例えば１０〜数１００ｍｓｅｃ）よりも短い周期、例えば４ｍｓｅｃ周期で、前記補正された印加電圧特性を用いてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御する。つまり、マイコン１７０は、図示しない別処理において、傾きが補正された印加電圧直線を用い、その印加電圧直線上でその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御する。
【００８７】
次に、ポンプセル印加電圧の変化速度設定手順（前記図６のステップ１４０）について、図８のフローチャートを用いて説明する。
図８において、先ずステップ１４１では、前記図６のステップ１３０で設定したポンプセル印加電圧Ｖｐ、すなわちポンプセル印加電圧の目標値と、今現在ポンプセル１１０に印加している電圧値との差から、ポンプセル印加電圧Ｖｐの偏差ΔＶを算出する。
【００８８】
その後、ステップ１４２では、偏差ΔＶの絶対値を判定し、後続のステップ１４３〜１４７では、その偏差ΔＶの絶対値に応じてポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度を適宜設定する。つまり、｜ΔＶ｜の程度を複数段階に区分しておき、その｜ΔＶ｜が大きいほど、ポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度を速くし、逆に｜ΔＶ｜が小さいほど、ポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度を遅くする。また更に、｜ΔＶ｜が比較的小さい場合にはＶｐ変化の周期が長くなるよう、Ｖｐ変化の周期も可変に設定することとしている。
【００８９】
より具体的には、図９を併せ参照しながら説明する。
（１）｜ΔＶ｜＜０．０１Ｖであれば、変化速度＝２ｍＶ／６０ｍｓｅｃとする（ステップ１４３）。
（２）０．０１Ｖ≦｜ΔＶ｜＜０．０２Ｖであれば、変化速度＝２ｍＶ／４０ｍｓｅｃとする（ステップ１４４）。
（３）０．０２Ｖ≦｜ΔＶ｜＜０．０６Ｖであれば、変化速度＝２ｍＶ／２０ｍｓｅｃとする（ステップ１４５）。
（４）０．０６Ｖ≦｜ΔＶ｜＜０．１Ｖであれば、変化速度＝４ｍＶ／２０ｍｓｅｃとする（ステップ１４６）。
（５）｜ΔＶ｜≧０．１Ｖであれば、変化速度＝８ｍＶ／２０ｍｓｅｃとする（ステップ１４７）。
【００９０】
なお、図８のフローチャート並びに図９に記載した数値は一例にすぎず、勿論任意に変更できる。但し、概ね偏差ΔＶの絶対値が大きくなるほど、変化速度を大きくすれば良い。図９であれば、右上がりの傾向にあれば良い。
【００９１】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
本実施の形態では、ＰＩＤ手法等によりモニタセル起電力を目標値にフィードバックさせる従来技術とは異なり、予め規定した印加電圧特性（印加電圧マップ）を用いてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御するようにした。そのため、モニタセル１２０での応答遅れ等が原因でポンプセル１１０の印加電圧制御の系が発振し、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動するといった不具合が生じることはない。それ故に、ＮＯｘ濃度の検出精度低下を招く要因が解消される。
【００９２】
また、図２２の（ａ）に示すように、ガス濃度変化（ＮＯｘ濃度変化）に際し、第１セル電流（ポンプセル電流）が変化すると、それに追従しながら第１セル電圧（ポンプセル印加電圧）が直ぐに所望の目標値に制御される。その結果、チャンバー内で残留酸素過多となることはなく、モニタセル信号も変動しない。従って、第２セル（センサセル１３０）では、ＮＯｘ濃度に応じた電流を高応答で検出することができる。
【００９３】
特に、第１チャンバー１４４と第２チャンバー１４６とが絞り部（拡散通路）１４５を介して連通される場合、モニタセル１２０での応答遅れの問題が顕著になるが、かかる場合にも既述の問題が解消される。
【００９４】
また、モニタセル電流Ｉｍ（モニタセル出力）によりポンプセル１１０の印加電圧特性を補正し、該補正した印加電圧直線に基づいてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御するので、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が適正化できる。つまり、モニタセル電流Ｉｍが目標値に収束して常に一定に保持され、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が望み通りに制御できる。それ故、残留酸素量の変化によりＮＯｘ濃度が誤検出されるといった不具合が解消できる。更に言えば、急激な加速又は減速による排ガス温度の変化、個体差、素子劣化等が原因でポンプセル１１０の活性状態が変化しても、排ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出することができる。
【００９５】
また特に、印加電圧制御の周期（例えば４ｍｓｅｃ）よりも長い周期（１０〜数１００ｍｓｅｃ）でポンプセル印加電圧特性の補正を実施するので、ガス濃度センサ１００の劣化や個体差等による応答性変化を考慮した周期で当該補正が行われることとなる。それ故に、印加電圧制御時における制御系の発振現象がより確実に抑制できる。
【００９６】
また、ポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度を可変に設定するので、ポンプセル１１０による残留酸素の排出又は汲み込みを迅速に行わせることが可能となる。従って、ＮＯｘ濃度の検出応答性が向上すると共に、その検出精度がより一層向上する。特に、ポンプセル印加電圧の偏差ΔＶが比較的小さい場合にはＶｐ変化の周期を長くするため、Ｖｐ変化時におけるピーク電流の影響が排除できるようになる。つまり、Ｖｐ変化時には、ポンプセル電流としてピーク電流（テーリング）が発生するが、そのピーク電流が収まってから次の印加電圧に変更されるようになる。従って、信頼性の高い印加電圧制御が実現できる。
【００９７】
一方で、ポンプセル１１０の印加電圧特性として、図１０に示す特性を設定しておいても良い。すなわち、図１０では、酸素濃度検出範囲内において、既述の印加電圧直線ＬＸ１が設定されていると共に、その検出範囲よりもリーン側には別の印加電圧直線Ｌ１１が、リッチ側には別の印加電圧直線Ｌ１２がそれぞれ設定されている。ここで、印加電圧直線Ｌ１１は、酸素濃度検出範囲のリーン限界であるＡ点と、Ｖｐ＝０（リーン側起電力）上のＢ点とを結ぶ一次直線からなり、また、印加電圧直線Ｌ１２は、酸素濃度検出範囲のリッチ限界であるＣ点と、Ｖｐ＝０．９Ｖ（リッチ側起電力）上のＤ点とを結ぶ一次直線からなる。言い足せば、酸素濃度検出範囲内の印加電圧直線ＬＸ１は抵抗支配領域の傾きにほぼ同等の傾きを有するのに対し、同範囲外の印加電圧直線Ｌ１１，Ｌ１２は印加電圧直線ＬＸ１とは正負逆の傾きを有する。
【００９８】
図１０の特性を用いることにより、酸素濃度検出範囲外の領域では、印加電圧直線Ｌ１１，Ｌ１２により検出電流の増加が制限される。つまり、素子割れ等が生じた場合にも、ポンプセル電流Ｉｐが酸素濃度検出範囲付近で制限され、過剰な電流が流れるといった不都合が回避できる。例えば、リーン側領域では図のＥ点で検出電流が制限される。そのため、検出電流が過剰に増加することに伴う発熱等の問題が解消される。
【００９９】
また更に、上記の如く検出電流を制限することにより、素子インピーダンスの誤検出も防止できる。すなわち、素子割れ等の不具合発生時において、電流制限が無い場合にはインピーダンス検出時の電流が酸素濃度検出範囲（電流検出範囲）から大きく外れてしまい、正しい値が検出できない。従って、素子インピーダンスの誤検出を招くおそれがある。これに対し、電流制限を行う場合には、インピーダンス検出時の電流が酸素濃度検出範囲（電流検出範囲）から大きく外れることはなく、素子インピーダンスが正しく検出できる。
【０１００】
なお、印加電圧直線Ｌ１１，Ｌ１２として、検出電流一定となる一次直線、すなわち、図のＶｐ軸（図の横軸）に平行な一次直線を設定することも可能である。
【０１０１】
次に、本発明における第２〜第５の実施の形態について、上記第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
（第２の実施の形態）
エンジン始動時等におけるガス濃度センサ１００の作動開始時には、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内は大気の状態にあり、多くの酸素が充満している（例えば、大気中の酸素濃度＝２０．９％）。従って、チャンバー１４４，１４６内が残留酸素過多の状態であることから、ＮＯｘ濃度の検出精度が悪化する。この場合、通常のポンプセル印加電圧（Ａ／Ｆ＝１０〜大気で０．１〜０．７Ｖ）では、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素を排出するのに５〜１０分程度の時間を要し、ＮＯｘ濃度の検出を早期に実施することができない。
【０１０２】
そこで本実施の形態では、エンジン始動直後において通常のポンプセル印加電圧よりも高い電圧（０．８〜１．２Ｖ）をポンプセル１１０に１分程度印加し、ポンプセル１１０での酸素排出能力を強制的に高めるように構成する。これにより、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素をいち早く排出し、ＮＯｘ濃度の検出を早期に開始できるものとする。
【０１０３】
実際には、図１１のフローチャートを実施する。この図１１の処理は、前記図６に置き換えてマイコン１７０により実施されるものであり、前記図６からの変更箇所が分かる程度に要部のみを抽出して示す。なお、前記図６と同一の処理については同じステップ番号を付している。
【０１０４】
図１１において、ステップ１００がＹＥＳであることを条件にステップ２０１に進み、エンジン始動からの時間をカウントする。続くステップ２０２では、残留酸素を強制排出するための初期制御時間が経過したか否かを判別する。初期制御時間は、例えば１分程度の時間である。初期制御時間が経過していれば（ステップ２０２がＹＥＳであれば）、ステップ１１０以降の処理に進み、ポンプセル印加電圧特性の補正、ポンプセル印加電圧Ｖｐの設定など、通常の処理を実施する。
【０１０５】
また、初期制御時間が経過していなければ（ステップ２０２がＮＯであれば）、ステップ２０３に進み、その時のモニタセル電流Ｉｍが正常値であるか否かを判別する。この判別は、モニタセル電流Ｉｍが本来取りうる範囲内にあるかどうかを判別するものであり、例えばＩｍ≦４μＡであれば、正常値であると判別される。モニタセル電流Ｉｍが正常値であれば、始動直後であってもチャンバー１４４，１４６内が残留酸素過多の状態でないと判断できる。従って、通常処理であるステップ１１０にそのまま進む。例えば、エンジン停止直後における再始動時等においては、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素が少ないため、ステップ２０３が肯定判別されることとなる。
【０１０６】
また、モニタセル電流Ｉｍが正常値でない場合（Ｉｍ＞４μＡの場合）、ステップ２０４に進み、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素を強制的に排出すべく、例えば０．８〜１．２Ｖ程度の高い電圧をポンプセル印加電圧Ｖｐとして設定する。その後、ステップ１５０に進み、上記の如く高電圧に設定したポンプセル印加電圧Ｖｐを出力する。
【０１０７】
以上第２の実施の形態によれば、エンジン始動時におけるポンプセル１１０の酸素排出能力が強制的に高められる。それ故、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素がいち早く排出され、ＮＯｘ濃度の検出が早期に開始できるようになる。
【０１０８】
また、モニタセル電流Ｉｍが規定範囲（４μＡ以下）から外れることを条件に、ポンプセル１１０に高い電圧が印加されるため、エンジンの再始動時には、上記した高電圧が不要に印加されることが防止できる。つまり、必要時にのみ、所望とする強制的な酸素排出動作が実現できるようになる。
【０１０９】
（第３の実施の形態）
ポンプセル１１０の素子インピーダンスが変化すると、同一の印加電圧であってもポンプセル１１０での酸素排出量が変動し、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が変動する。そこで、本実施の形態では、ポンプセル１１０の素子インピーダンスにより印加電圧補正を実施することを提案する。
【０１１０】
具体的には、前記図６のメインルーチンにおいて、ステップ１１０での印加電圧補正の内容を以下のように変更する。つまり、上記第１の実施の形態では、図７のフローチャートに従い印加電圧補正を実施したが、本実施の形態ではこれに代えて、図１２のフローチャートに従い印加電圧補正を実施する。なお、図１２の処理が特許請求の範囲に記載した「印加電圧補正手段」に相当し、前記図６のステップ１８０が同「素子抵抗検出手段」に相当する。
【０１１１】
さて、図１２において、先ずステップ３０１では、今現在、所定の補正タイミングであるか否かを判別する。例えば、１０〜数１００ｍｓｅｃ毎にステップ３０１が肯定判別される。そして、ステップ３０２では、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐを読み込み、続くステップ３０３では、素子インピーダンスＲｉｐに応じて印加電圧直線ＬＸ１の傾きを補正する。最後にステップ３０４では、補正後の印加電圧直線の傾きをメモリに保存する。
【０１１２】
上記ステップ３０３について図１３を用いて具体的に説明する。素子インピーダンスＲｉｐが規定値よりも大きい場合、印加電圧直線を図のＬＸ１からＬＸ２に切り換え、その傾きを小さくする。これにより、第１チャンバー１４４内の残留酸素を減らす方向（より多く分解する方向）にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正されるようになる。また、素子インピーダンスＲｉｐが規定値よりも小さい場合、印加電圧直線を図のＬＸ１からＬＸ３に切り換え、その傾きを大きくする。これにより、第１チャンバー１４４内の残留酸素を増やす方向にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正されるようになる。
【０１１３】
本第３の実施の形態によれば、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量を適正化するようにポンプセル印加電圧Ｖｐを制御することが可能となる。その結果、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できるようになる。
【０１１４】
（第４の実施の形態）
次に、第４の実施の形態を説明する。要するに、上記第１の実施の形態では、モニタセル電流に応じてポンプセル１１０の印加電圧特性を補正したが、これに代えて本実施の形態では、モニタセル電流に応じてセンサセル１３０の出力補正を行う。ガス濃度検出装置の構成は前記図１が流用できるので、その説明は諸略する。
【０１１５】
センサセル電流補正の概要を図１４を用いて具体的に説明する。なお、図１４（ａ）〜（ｃ）は前記図３（ａ）〜（ｃ）と同様に、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでのポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を示す図面であり、図中、実線で示す特性（図の丸数字１）は前記図３で説明した基本特性である。
【０１１６】
ここで、図１４（ａ）では、前記図３（ａ）中の印加電圧直線ＬＸ１よりも低電圧側（図の左側）に別の印加電圧直線ＬＸＡを設けており、この印加電圧直線ＬＸＡ上でポンプセル印加電圧Ｖｐが設定される。印加電圧直線を低電圧側にシフトすることは、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の酸素濃度が若干上昇することを意味し、仮に排ガス温度の上昇や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下しても、ポンプセル１１０でのＮＯｘ分解が生じないようになっている。
【０１１７】
さて、前述の通り、第１チャンバー１４４内は所定の低酸素濃度に保持されており、その酸素は残留酸素として第２チャンバー１４６に流れ込むため、センサセル１３０では、ＮＯｘ分解電流に残留酸素分のオフセット電流を加算した電流レベルでセンサセル電流Ｉｓが検出される。この場合、残留酸素量が常に一定であってオフセット電流一定であれば、相対的にＮＯｘ濃度レベルを評価することも可能であるが、残留酸素量の変動によりオフセット電流が変化すると、その分ＮＯｘ濃度の検出誤差が生じる。
【０１１８】
例えば、排ガス温度の低下や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが上昇する場合、ポンプセル特性が図１４（ａ）に点線で示す特性に変化（図の丸数字１から丸数字２へ変化）し、それが原因で第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素が増加する。そのため、図１４（ｂ）に示すように、モニタセル特性が点線に変化する（モニタセルの電流値はＩｍ１→Ｉｍ２に変化）。また、図１４（ｃ）に示すように、センサセル特性も同様に点線に変化する（センサセルの電流値はＩｓ１→Ｉｓ２に変化）。この場合、電流値Ｉｓ２には、モニタセル１２０側の電流値Ｉｍ２相当のオフセット電流が含まれ、これがＮＯｘ濃度の検出誤差となって現れる。
【０１１９】
そこで、本実施の形態の装置では、残留酸素量の変化をモニタセル特性（モニタセル電流Ｉｍ）から把握し、それによりセンサセル電流Ｉｓを補正することを考える。
【０１２０】
すなわち、モニタセル電流値がＩｍ１、又は同モニタセル電流がＩｍ２の場合において、その都度実測されるセンサセル電流値Ｉｓ１，１ｓ２からモニタセル電流値Ｉｍ１，Ｉｍ２をそれぞれ減算する。すると何れの場合にも、センサセル電流値が、オフセット電流成分を含まないＮＯｘ分解電流のみの数値である「ＩｓＡ」に補正される。従って、排ガスのＮＯｘ濃度一定である場合に、常に同一レベルのＮＯｘ濃度検出値（センサセル電流）が得られ、ＮＯｘ濃度の検出誤差が解消される。
【０１２１】
なお、排ガス温度の上昇や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下する場合、ポンプセル特性は、図１４（ａ）に実線で示す基本特性から二点鎖線で示す特性に変化（図の丸数字１から丸数字３へ変化）し、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量がごく微量となる。この場合には、モニタセル電流値はごく微弱なＩｍ３となり、オフセット電流の影響がごく僅かなのでセンサセル電流値を補正しないよう構成しても良い。
【０１２２】
センサセル電流値からモニタセル電流値を減算してオフセット電流分を補正する場合、モニタセル１２０及びセンサセル１３０における各電極の触媒能力が同一であれば、すなわち電極サイズが同じで且つ材料も同じであれば、前記両者の差を単純に求めればよいが、各電極の触媒能力が異なるのであれば、その能力差に応じた係数を掛け合わせて差を求めるのが望ましい。これにより、モニタセル１２０及びセンサセル１３０において残留酸素に対する反応電流が等価となり、その単純比較が可能となる。
【０１２３】
次に、マイコン１７０により実現されるセンサセル電流の補正手順について、図１５のフローチャートを用いて説明する。なお、この図１５の処理が特許請求の範囲に記載した「第２セル出力補正手段」に相当する。
【０１２４】
図１５において、先ずステップ４０１では、今現在、ＮＯｘ濃度の検出タイミングであるか否かを判別する。例えば８ｍｓｅｃ毎にステップ４０１が肯定判別される。そして、ステップ４０２では、電流検出器１７２で測定したモニタセル電流Ｉｍを読み込み、続くステップ４０３では、電流検出器１７３で測定したセンサセル電流Ｉｓを読み込む。
【０１２５】
その後、ステップ４０４では、モニタセル１２０及びセンサセル１３０における電極のサイズ及び材料の違いを修正するための係数Ｋを求め、その係数Ｋをモニタセル電流Ｉｍを掛け合わせ、「Ｉｍ’」を算出する。このステップ４０４により、モニタセル１２０及びセンサセル１３０における電極の触媒能力の差が修正され、残留酸素に対する反応電流が等価になる。因みに、各セル１２０，１３０での電極の触媒能力が同一であれば、係数Ｋ＝１である。勿論、モニタセル電流Ｉｍに代えて、センサセル電流Ｉｓに上記係数を掛け合わせるようにしても良い。
【０１２６】
最後に、ステップ４０５では、前記ステップ４０３のセンサセル電流Ｉｓから前記ステップ４０４のモニタセル電流Ｉｍ’を減算し、その値を補正後のセンサセル電流ＩｓＢとする。こうしてセンサセル電流Ｉｓを補正して「ＩｓＢ」を算出することにより、センサセル電流値におけるオフセット電流分の誤差が是正されるようになる。例えば、前記図１４では、補正後のセンサセル電流ＩｓＢとして「ＩｓＡ値」が求められる。
【０１２７】
但し、上記図１５のＮＯｘ濃度検出の処理は、前記図６のメインルーチンで言えばステップ１６０の処理に該当する。それ故、図１５のステップ４０２〜４０５を、図６のステップ１６０で実施するようにしても良い。
【０１２８】
以上第４の実施の形態によれば、モニタセル電流Ｉｍ（モニタセル出力）を取り込み、そのモニタセル電流Ｉｍによりセンサセル電流Ｉｓを補正するようにしたので、同一ＮＯｘ濃度であっても第２チャンバー１４６内の残留酸素量の変動によりセンサセル電流Ｉｓが変化してしまうといった問題が解消される。従って、排ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出することができるようになる。
【０１２９】
また、本実施の形態でも上記第１の実施の形態と同様に、ＰＩＤ手法等によりモニタセル起電力を目標値にフィードバックさせる従来技術とは異なり、ポンプセル（第１セル）の印加電圧制御の系が発振し、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動するといった不具合が生じることはない。それ故に、ガス濃度の検出精度低下を招く要因が解消される。
【０１３０】
上記したガス濃度センサ１００では、モニタセル１２０とセンサセル１３０とが比較的近い位置に設けられ、これら各セル１２０，１３０では共に第２チャンバー１４６内の同一ガスを検出対象とする。従って、モニタセル電流Ｉｍをオフセット電流相当とみなすことができ、モニタセル電流Ｉｍによるセンサセル電流Ｉｓの補正が可能となる。
【０１３１】
（第５の実施の形態）
次に、本発明における第５の実施の形態について、上記各実施の形態との相違点を中心に説明する。要するに、本実施の形態では、モニタセル電流に応じてポンプセル１１０の印加電圧特性を補正する機能と、同じくモニタセル電流に応じてセンサセル１３０の出力補正を行う機能とを併せ持つ装置について以下に説明する。ガス濃度検出装置の構成は前記図１が流用できるので、その説明は諸略する。
【０１３２】
その概略として、モニタセル電流により第２チャンバー１４６内の残留酸素量を計測すると共に、その残留酸素量に応じてポンプセル１１０の印加電圧特性に補正を加える。これにより、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量（酸素濃度）が一定に保持される。但しその際、ポンプセル１１０での酸素濃度に応じた電流はｍＡ（ミリアンペア）レベル、ＮＯｘによるセンサセル電流はμＡ（マイクロアンペア）レベルであり電流レベルが大きく異なるため、ポンプセル１１０でＮＯｘを分解せず且つ残留酸素を完全に排出することは制御分解能を考慮すると困難である。つまり、残留酸素をゼロにしようとすると、ＮＯｘを僅かに分解してしまう可能性があり、その影響はセンサセル電流値に大きく現れる。そこで、ポンプセル１１０でＮＯｘを分解しない程度にポンプセル印加電圧特性を補正することとする。その結果、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内には若干の残留酸素が残るので、その残留酸素をモニタセル１２０で検出し、その結果に応じてセンサセル電流出力を補正する。
【０１３３】
ポンプセル印加電圧特性の補正、並びにセンサセル電流補正の概要を図１６を用いて具体的に説明する。なお、図１６（ａ）〜（ｃ）は前記図３（ａ）〜（ｃ）と同様に、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでのポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の各特性を示す図面であり、図中、実線で示す特性（図の丸数字１）は前記図３で説明した基本特性である。
【０１３４】
先ずは、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが目標値に保持されており、ポンプセル１１０の印加電圧特性（印加電圧直線ＬＸ１）に関する補正が必要ない場合について説明する。すなわち、ポンプセル特性が図１６（ａ）に実線で示す基本特性（図の丸数字１）となる場合、印加電圧直線ＬＸ１によれば、ポンプセル１１０でＮＯｘが分解されない程度にポンプセル印加電圧Ｖｐが制御され、その結果、僅かながら残留酸素が第２チャンバー１４６に流れ込む。従って、図１６（ｂ）に示すように、モニタセル電流値Ｉｍ１が計測されると共に、図１６（ｃ）に示すように、センサセル電流値Ｉｓ１が計測される。この際、電流値Ｉｓ１には残留酸素量に応じたオフセット電流が含まれるため、電流値Ｉｓ１からオフセット電流分（モニタセル電流Ｉｍ１相当分）を減算する。これにより、残留酸素相当のオフセット電流を含まない電流値「ＩｓＣ」が得られる。
【０１３５】
これに対して、排ガス温度の低下や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが上昇する場合、ポンプセル特性が図１６（ａ）に点線で示す特性（図の丸数字２）に変化することから、その時のモニタセル電流値Ｉｍ２に基づいて、図１６（ａ）に示す印加電圧直線がＬＸ１（実線）からＬＸ２（点線）に変更される。これにより、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が一定に制御され、図１６（ｂ）のモニタセル特性、図１６（ｃ）のセンサセル特性が共に実線で示す特性となる。この際、第２チャンバー１４６内の残留酸素量が一定に保たれることからセンサセル１３０では電流値Ｉｓ１が計測されるが、この電流値Ｉｓ１には残留酸素量に応じたオフセット電流が含まれるため、電流値Ｉｓ１からオフセット電流分を減算する。こうして、残留酸素相当のオフセット電流を含まない電流値「ＩｓＣ」が得られる。
【０１３６】
一方、排ガス温度の上昇や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下する場合には、ポンプセル特性が図１６（ａ）に二点鎖線で示す特性（図の丸数字３）に変化することから、その時のモニタセル電流値Ｉｍ３に基づいて、図１６（ａ）に示す印加電圧直線がＬＸ１（実線）からＬＸ３（二点鎖線）に変更される。これにより、第１及び第２チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が一定に制御され、図１６（ｂ）のモニタセル特性、図１６（ｃ）のセンサセル特性が共に実線で示す特性となる。この際、第２チャンバー１４６内の残留酸素量が一定に保たれることからセンサセル１３０では電流値Ｉｓ１が計測されるが、この電流値Ｉｓ１からオフセット電流分を減算することにより、残留酸素相当のオフセット電流を含まない電流値「ＩｓＣ」が得られる。
【０１３７】
上記実施の形態の作用を実現するには、マイコン１７０は、特許請求の範囲に記載した「第１の補正手段」として前述の図７の処理を実施し、ポンプセル１１０の印加電圧特性を補正する。この際、マイコン１７０は、例えば４ｍｓｅｃ周期で、前記補正された印加電圧特性を用いてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御する。つまり、傾きが補正された印加電圧直線を用い、その印加電圧直線上でその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧Ｖｐを制御する。
【０１３８】
また、マイコン１７０は、特許請求の範囲に記載した「第２の補正手段」として前記図１５の一部を変更した図１７の処理を実施する。図１７では、前記図１５と同じステップ番号を付した処理は該図１５に準じ、それ以外にステップ４５０を新たに追加して実施する。すなわち、ステップ４０２直後のステップ４５０では、その際検出したモニタセル電流Ｉｍ（ステップ４０２のＩｍ値）が目標値又はその近傍に収束しているか否かを判別する。この場合、前述の図７等により、モニタセル電流Ｉｍと目標値（第２チャンバー１４６内を所定の低酸素濃度に保つためのモニタセル電流）との偏差に応じてポンプセル印加電圧が補正されており、その補正の結果として、モニタセル電流Ｉｍが目標値に対して収束していれば、ステップ４０３以降の処理を実施する。すなわち、第２チャンバー１４６内の残留酸素量が所定量に保持されている場合に、センサセル電流Ｉｓを取り込み、センサセル電流Ｉｓの補正を実施する（ステップ４０３〜４０５）。なお、モニタセル電流Ｉｍが目標値に収束していなければ収束するまで待つ。
【０１３９】
上記図１７によれば、印加電圧制御の結果として第２チャンバー１４６内の残留酸素量（酸素濃度）が安定した状態で、センサセル電流Ｉｓの取り込み及び補正が行われる。それ故に、センサセル電流Ｉｓがより一層正確に補正できるようになる。
【０１４０】
以上第５の実施の形態によれば、モニタセル電流Ｉｍ（モニタセル出力）によりポンプセル印加電圧特性を補正し且つセンサセル電流出力を補正するので、ポンプセル１１０の限界電流特性の変化に関係なく、チャンバー１４４，１４６内の残留酸素量が一定に保たれると共に、残留酸素分の影響を受けないセンサセル電流出力が得られる。その結果、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できるようになる。
【０１４１】
なお、ポンプセル印加電圧特性を補正する手段として、前記図７の処理に代えて、前記図１２の処理を用いても良い。つまり、ポンプセル１１０の素子インピーダンスに応じてポンプセル印加電圧特性を補正する。かかる場合にも同様に、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できるようになる。
【０１４２】
また、本第５の実施の形態でも上記各実施の形態と同様に、ＰＩＤ手法等によりモニタセル起電力を目標値にフィードバックさせる従来技術とは異なり、ポンプセル（第１セル）の印加電圧制御の系が発振し、チャンバー内の残留酸素量が周期的に大きく変動するといった不具合が生じることはない。それ故に、ガス濃度の検出精度低下を招く要因が解消される。
【０１４３】
また特に、印加電圧制御の周期が例えば４ｍｓｅｃであるのに対し、ポンプセル印加電圧特性の補正の周期を１０〜数１００ｍｓｅｃ、センサセル出力補正の周期を８ｍｓｅｃとしたので、ガス濃度センサ１００の劣化や個体差等による応答性変化を考慮した周期で上記補正が行われることとなる。それ故に、印加電圧制御時における制御系の発振現象がより確実に抑制できる。
【０１４４】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記実施の形態では、ポンプセル１１０の印加電圧特性を補正する際、図５等で説明したように、印加電圧直線ＬＸ１の傾きを増減するような補正を与えたが、この構成に代えて、印加電圧直線ＬＸ１のオフセット（前記図３のオフセットｂ）を増減するような補正を与える。つまり、図１８に示すように、例えば、排ガス温度の低下や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが上昇する場合、ポンプセル特性が図１８に点線で示す特性（図の丸数字２）に変化することから、その時のモニタセル電流に基づいて、印加電圧直線をＬＸ１（実線）からＬＸ１０（点線）に変更する。また、排ガス温度の上昇や個体差等でポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが低下する場合には、ポンプセル特性が図１０に二点鎖線で示す特性（図の丸数字３）に変化することから、その時のモニタセル電流に基づいて、印加電圧直線をＬＸ１（実線）からＬＸ１１（二点鎖線）に変更する。こうして印加電圧直線を変更することにより、第２チャンバー１４６内の残留酸素量はほぼ一定に保たれる。それにより、排ガス中のＮＯｘ濃度が正確に検出できる。
【０１４５】
かかる場合、マイコン１７０は、特許請求の範囲に記載した「印加電圧補正手段」である図１９のフローチャートに従いポンプセル印加電圧特性を補正する。この処理は、前記図７の処理の一部を変更したものであり、ステップ１１１〜１１４では前述の通り、モニタセル電流Ｉｍの読み込み、モニタセル電流の偏差ΔＩｍの算出、ポンプセル印加電圧の補正量ΔＶｐの算出をそれぞれ行う。そしてその後、ステップ５０１では、ΔＶｐ≦０か否かを判別し、ΔＶｐ＞０の場合ステップ５０２に進み、印加電圧直線ＬＸ１のオフセットを補正量ΔＶｐだけ増やす。また、ΔＶｐ≦０の場合ステップ５０３に進み、印加電圧直線ＬＸ１のオフセットを補正量ΔＶｐだけ減らす。最後にステップ５０４では、補正後の印加電圧直線のオフセットをメモリに保存する。
【０１４６】
上記ステップ５０２によれば、印加電圧直線が例えば図１８のＬＸ１からＬＸ１０に切り替わり、第１チャンバー１４４内の残留酸素を減らす方向（より多く分解する方向）にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正される。また、上記ステップ５０３によれば、印加電圧直線が例えば図１８のＬＸ１からＬＸ１１に切り替わり、第１チャンバー１４４内の残留酸素を増やす方向にポンプセル印加電圧Ｖｐが補正される。
【０１４７】
前記図１２のように素子インピーダンスに応じてポンプセル印加電圧特性を補正する場合においても同様に、印加電圧直線のオフセットを補正するようにしても良い。この場合、ポンプセル１１０の素子インピーダンスが大きいほど印加電圧直線のオフセットを大きくすると良い。
【０１４８】
また、ポンプセル１１０の印加電圧補正として、予め規定した印加電圧特性（マップデータ）によりポンプセル印加電圧Ｖｐを設定した後、そのＶｐの設定値を対象に補正を実施しても良い。つまり、前記図６では、モニタセル出力に応じてポンプセル印加電圧特性を補正し、その補正後の印加電圧特性を用いてポンプセル印加電圧Ｖｐを設定したが（ステップ１１０〜１３０）、これに代えて、ポンプセル印加電圧特性を補正せず、予め規定した印加電圧特性をそのまま用いてポンプセル印加電圧Ｖｐを設定する。そして、設定後のポンプセル印加電圧Ｖｐを、モニタセル出力に応じて補正する。この構成においても、既述の通り優れた効果を奏する。また、ポンプセル１１０の素子インピーダンスに応じて補正を行う場合（第３の実施の形態）についても同様である。
【０１４９】
前記図１におけるＬＰＦ１８０について、その時定数をインピーダンス検出時とガス濃度検出時とで変更する。その簡易的な構成として、ＬＰＦ１８０を図２０のように構成する。つまり、図２０では、スイッチＳＷを使用してＬＰＦ１８０の抵抗値をＲ１又はＲ２（但し、Ｒ１＞Ｒ２）の何れかに切り換え、時定数を変更する。より具体的には、通常の酸素濃度検出時には図示の状態に操作して時定数を大きくし、インピーダンス検出時にはスイッチＳＷを切り換えて時定数を小さくする。なお、コンデンサ容量値を変化させて時定数を変更することも可能である。上記の通りＬＰＦ１８０の時定数を切り換えることで、ポンプセル印加電圧Ｖｐの変化速度が可変設定されることとなる。
【０１５０】
ガス濃度センサとしては、上記図２等に示すガス濃度センサ１００以外にも適用できる。例えば、図２１に示す構造のガス濃度センサ３００が適用できる。図２１のガス濃度センサ３００において、一方の固体電解質３０１には、第１ポンプセル３１０及び第２ポンプセル３２０が設けられ、他方の固体電解質３０２にはモニタセル３３０と第２セルとしてのセンサセル３４０とが並べて設けられている。また、固体電解質３０１及び３０２の間には第１チャンバー３０３及び第２チャンバー３０４が設けられ、両チャンバー３０３，３０４は、拡散通路としての絞り部３０５を介して連通している。なお、第１チャンバー３０３にはピンホール３０６を介して排ガスが導入される。符号３０７，３０８は大気通路、符号３０９はヒータである。
【０１５１】
上記ガス濃度センサ３００は、第１及び第２チャンバー３０３，３０４内における酸素出し入れの効率化と高精度化を図るべく、第１セルとしてのポンプセルを２つのポンプセル３１０，３２０に分割したものであるが、かかる構成においても、既述の実施の形態と同様に、ポンプセル１１０の印加電圧補正、センサセル出力補正等の少なくとも何れかを実施してガス濃度検出装置を具体化することにより、排ガス中のＮＯｘ濃度を高精度に検出できるようになる。また、図２に示す３つのセル、図２１に示す４つのセルを有するセンサ構造以外に、５つ以上のセルを有するセンサ構造であっても良い。
【０１５２】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定ガス成分の濃度として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、第１セル（ポンプセル）にて被検出ガス中の酸素を排出し、第２セル（センサセル）にて酸素排出後のガス成分からＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。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。かかる構成においても、本発明を適用することによりガス濃度の検出精度が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】ガス濃度検出装置の概要を示す構成図。
【図２】ガス濃度センサの構成を示す断面図。
【図３】ガス濃度センサの各セルの特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図４】ポンプセルの印加電圧特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図５】ガス濃度センサの各セルの特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図６】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図７】ポンプセル印加電圧特性の補正手順を示すフローチャート。
【図８】ポンプセル印加電圧の変化速度設定手順を示すフローチャート。
【図９】ポンプセル印加電圧の変化速度が可変設定される概要を示す図。
【図１０】ポンプセルの印加電圧特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図１１】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャート。
【図１２】ポンプセル印加電圧特性の補正手順を示すフローチャート。
【図１３】ガス濃度センサのポンプセル特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図１４】ガス濃度センサの各セルの特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図１５】センサセル電流の補正手順を示すフローチャート。
【図１６】ガス濃度センサの各セルの特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図１７】センサセル電流の補正手順を示すフローチャート。
【図１８】ポンプセル特性を示すＶ−Ｉ特性図。
【図１９】ポンプセル印加電圧特性の補正手順を示すフローチャート。
【図２０】他の形態におけるＬＰＦの構成を示す回路図。
【図２１】他の形態におけるガス濃度センサの構成を示す断面図。
【図２２】ガス濃度変化時における各種信号等の応答の様子を示す図。
【図２３】ガス濃度センサの等価回路図。
【図２４】電圧変化時におけるピーク電流発生の様子を示す図。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、１１０…ポンプセル（第１セル）、１２０…モニタセル、１３０…センサセル（第２セル）、１４４…第１チャンバー、１４５…絞り部、１４６…第２チャンバー、１７０…マイコン、３００…ガス濃度センサ、３０３…第１チャンバー、３０４…第２チャンバー、３０５…絞り部、３１０，３２０…ポンプセル（第１セル）、３３０…モニタセル、３４０…センサセル（第２セル）。

Claims (13)

1. チャンバーに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込むための第１セルと、第１セルを通過した後のガスから特定ガス成分の濃度を検出するための第２セルと、チャンバー内の残留酸素濃度を検出するためのモニタセルとを少なくとも備えるガス濃度センサを用い、該ガス濃度センサによる検出結果に基づいてガス濃度検出を実施するガス濃度検出装置であって、
   第１セルの電流値と印加電圧との関係を予め規定した印加電圧特性に基づき、第１セルで特定ガス成分が分解されない程度に、その都度の第１セルの電流値に応じて第１セルの印加電圧を設定する印加電圧設定手段と、
   第１セルの印加電圧を前記印加電圧設定手段によって設定した印加電圧へ変化させる際に、その変化速度を可変に設定する変化速度設定手段と、
   前記変化速度設定手段によって設定した変化速度に従って、前記印加電圧設定手段によって設定した印加電圧を第１セルに出力する印加電圧制御手段と、
   を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 請求項１に記載のガス濃度検出装置において、前記変化速度設定手段は、前記印加電圧設定手段により設定した印加電圧と、その時々の第１セルの印加電圧との差に基づき、その差が大きいほど印加電圧の変化速度を大きくするガス濃度検出装置。
3. 請求項１又は２に記載のガス濃度検出装置において、前記変化速度設定手段は、印加電圧の変更の周期を可変に設定するガス濃度検出装置。
4. 請求項３に記載のガス濃度検出装置において、前記変化速度設定手段は、前記印加電圧設定手段により設定した印加電圧と、その時々の第１セルの印加電圧との差が比較的小さい場合に、印加電圧の変更の周期を長くするガス濃度検出装置。
5. 前記被検出ガスを多孔質拡散層を通してチャンバーに導入するとともに、第１セルによる電流検出範囲が予め規定され且つ、第１セルの印加電圧特性として、第１セルの出力特性上で、印加電圧と電流値が比例の関係にあり、この比例の関係を表す直線の傾きが第１セルの素子抵抗に概ね一致する領域である抵抗支配領域の傾きにほぼ同等の傾きを持つ印加電圧直線が設定されており、第１セルによる電流検出範囲外の領域では、前記の印加電圧直線とは正負逆の傾きを持つ別の印加電圧直線が設定されている請求項１〜４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
6. ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間にて、通常の第１セル印加電圧よりも高い電圧を第１セルに強制的に印加する請求項１〜５の何れかに記載のガス濃度検出装置。
7. 請求項６に記載のガス濃度検出装置において、ガス濃度センサの作動開始直後であり、且つモニタセル出力が規定範囲から外れることを条件に、前記通常の第１セル印加電圧よりも高い電圧を第１セルに印加するガス濃度検出装置。
8. 前記ガス濃度センサは、第１セルが設けられるチャンバーと、モニタセルが設けられるチャンバーとが拡散通路を介して連通されるものである請求項１〜７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
9. 第１セルの電流値毎に対応する第１セルの印加電圧がマップデータとして予め用意されており、前記印加電圧設定手段は、前記のマップデータを用いて第１セルの印加電圧を設定する請求項１〜８の何れかに記載のガス濃度検出装置。
10. チャンバー内における残留酸素の変化要因に応じて、第１セルの印加電圧特性、又は前記印加電圧設定手段により設定した第１セルの印加電圧を補正する印加電圧補正手段を更に備えた請求項１〜９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
11. 請求項１０に記載のガス濃度検出装置において、前記印加電圧補正手段は、モニタセルの出力に基づき印加電圧補正を実施するガス濃度検出装置。
12. 請求項１０に記載のガス濃度検出装置において、第１セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値を検出するための素子抵抗検出手段を備え、前記印加電圧補正手段は、前記検出した第１セルの素子抵抗に基づき印加電圧補正を実施するガス濃度検出装置。
13. モニタセルの出力を取り込み、そのモニタセル出力により第２セルの電流出力を補正する第２セル出力補正手段を更に備えた請求項１〜１２の何れかに記載のガス濃度検出装置。

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