JP2009222708A - ガスセンサ制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子電流補正用の電流補正値を好適に算出し、ひいてはＮＯｘ濃度等、特定成分の濃度を精度良く検出する。
【解決手段】センサセルの負側端子には電流計測抵抗６１が接続されており、電流計測抵抗６１による電流計測結果がＶＳ１として差動増幅回路６６からマイコンに出力される。電流計測抵抗６１の反センサ側端子には差動増幅回路６２が接続されている。電流計測抵抗６１のセンサ側端子と差動増幅回路６２とを電気的に接続する電気経路において素子電流が流れない経路上にはスイッチ回路７１が設けられており、スイッチ回路７１を閉鎖することで電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロとされる。マイコンは、スイッチ回路７１を閉じた状態で差動増幅回路６６の出力ＶＳ１を取得し、その出力ＶＳ１により素子電流補正用の電流補正値を算出する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、ＮＯｘセンサ等のガスセンサに接続され、同センサの出力から特定成分の濃度を検出するガスセンサ制御装置に関するものである。

近年、排ガス規制や燃費規制が益々強化される傾向にあり、例えば、ディーゼルエンジンのＮＯｘ排出量低減に関する技術や、ＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要になってきている。また、ガソリンエンジンでも、燃費向上等を目的とするリーン域での燃焼拡大が実施されることに伴いＮＯｘ排出量が増大することから、ＮＯｘ排出抑制に関する技術やＮＯｘ浄化装置の異常検出に関する技術等が必要となる。こうした事情から、ＮＯｘセンサの需要が高まりつつある。なお、ＮＯｘセンサとしては、ジルコニア固体電解質を用いた多セル方式のセンサ素子が用いられている。

ところで、上記のＮＯｘセンサを含めガスセンサでは、一般にセンサ自体が有する誤差要因や、ガスセンサに接続される検出回路が有する誤差要因により、センサ電流計測値に出力誤差が生じる。例えば、ガスセンサの誤差要因としては個体差や経時変化などが挙げられ、検出回路の誤差要因としては回路素子の精度、温特などが挙げられる。特にＮＯｘセンサの場合、ＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサ電流が微弱であるため、誤差要因による検出精度の低下が一層懸念される。ちなみに、酸素濃度を検出する酸素センサ（Ａ／Ｆセンサ）の場合、センサ電流がｍＡオーダであるのに対し、ＮＯｘセンサではセンサ電流がｎＡオーダであり、その電流レベルは４，５桁程度相違する。

そこで従来技術として、検出回路においてセンサ電流が流れる電流経路上にスイッチを設け、そのスイッチを一時的に開状態とすることで検出回路に流れるセンサ電流を遮断し、かかる状態でのセンサ電流計測値により検出回路の出力誤差を算出するものがある（例えば特許文献１参照）。上記構成によれば、出力誤差を解消するための補正値を容易に求めることができ、ひいてはガス濃度の検出精度向上を図ることができるとしていた。

特開２００５−３２６３８８号公報

しかしながら、上述したように検出回路においてセンサ電流が流れる電流経路上にスイッチを設けた構成では、そのスイッチが原因でセンサ電流検出に影響が及ぶことが懸念される。すなわち、例えばスイッチに半導体スイッチング素子を用いる場合、そのスイッチング素子には漏れ電流（リーク電流）が生じ、少ないもので数１０ｎＡとなる。このことから、ＮＯｘ濃度検出時のように微弱電流を計測する場合に計測誤差が生じるおそれがあり、改善の余地があると考えられる。

本発明は、素子電流補正用の電流補正値を好適に算出し、ひいてはＮＯｘ濃度等、特定成分の濃度を精度良く検出することができるガスセンサ制御装置を提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明のガスセンサ制御装置は、固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備え、前記一対の電極間への電圧印加状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を生じさせるガスセンサに接続されるものである。そして、本制御装置では、電圧変換素子により素子電流が電圧に変換されるとともに、出力回路により、電圧変換素子による素子電流の電圧変換結果が素子電流計測値として出力される。さらに、印加電圧設定回路による電圧印加の状態で出力回路から出力される素子電流計測値により特定成分の濃度（酸素濃度、ＮＯｘ濃度等）が算出される。なお、電圧変換素子は、例えば素子電流を計測するための電流計測抵抗（シャント抵抗）である。

また、請求項１の発明では、電圧変換素子のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路において素子電流が流れない経路上にスイッチ手段（図４のスイッチ回路７１）が設けられており、スイッチ手段が閉じられることで、電圧変換素子の両端電位差をあらかじめ定めた規定値とするよう印加電圧設定回路の設定電圧が調整される。そして、かかる状態での出力回路の出力値により素子電流補正用の電流補正値が算出される。なお、素子電流計測値によるガス濃度検出の途中に一時的にスイッチ手段が閉じられ、電流補正値が算出されるとよい。

上記構成によれば、スイッチ手段を閉状態とした場合において、
・電圧変換素子のセンサ側端子電圧が印加電圧設定回路に帰還入力されること、
・その帰還入力により印加電圧設定回路の設定電圧が調整されて電圧変換素子の両端電位差があらかじめ定めた規定値とされること、
により、本ガスセンサ制御装置における特性ばらつき分に相当する素子電流補正用の電流補正値を好適に求めることができる。つまり、電圧変換素子の両端電位差を規定値とした場合における素子電流計測値（回路に実際に流れた素子電流の電圧変換値）を、本来出力されるべき出力値（設計値等）と比較することにより、それらの差に応じて素子電流補正用の電流補正値を算出することができる。

また本発明では、素子電流が流れない経路上にスイッチ手段が設けられているため、そのスイッチ手段、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。特に、ＮＯｘ検出電流など、微弱な素子電流を計測する場合には、スイッチ手段の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、ガス濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。

以上本発明によれば、素子電流補正用の電流補正値を好適に算出でき、ひいてはガス濃度の検出精度を向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、スイッチ手段を閉じることで電圧変換素子の両端電位差をゼロとし、その電位差ゼロの状態で前記出力回路の出力値を取得する構成としている。この場合、電圧変換素子の両端電位差をゼロにすることで、素子電流が流れない状態、すなわち素子電流≒０ｎＡの状態を作り出すことができ、その素子電流≒０ｎＡの状態での電流補正値を求めることができる。

なお、電圧変換素子の両端電位差が「ゼロ」となる状態とは、センサ素子に流れる電流が０ｎＡ又は略０ｎＡとなる状態に相当する。この場合、実際の回路構成では種々の回路素子等の存在により微小な電流が流れることがあり、厳密に「素子電流＝０ｎＡ」の状態とならないとも考えられるが、こうした回路構成上の要因で微小電流が流れる場合も電圧変換素子の両端電位差が「ゼロ」となる状態に該当することとしている。

電圧変換素子の両端電位差がゼロとなる状態（すなわち素子電流≒０ｎＡの状態）は、特定成分濃度と素子電流との関係で言えば、特定成分濃度＝０％（又は０ｐｐｍ）かつ素子電流≒０ｎＡとなる状態である。かかる場合、電圧変換素子の両端電位差がゼロとなる状態（すなわち素子電流≒０ｎＡの状態）での素子電流計測値はオフセット誤差に相当する。したがって、請求項３に記載したように、電圧変換素子の両端電位差をゼロにした状態で前記電流補正値としてオフセット補正値を算出するとよい。

請求項４に記載の発明では、センサ素子において交流信号の印加時にガス拡散の交流インピーダンス成分が現れるガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間で、スイッチ手段を一時的に閉じて印加電圧設定回路の設定電圧を調整する構成としている。すなわち、印加電圧設定回路による設定電圧の調整期間が、センサ素子のガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間となっている。換言すると、これは、交流信号の印加時に電極・固体電解質体の交流インピーダンス成分が現れる電極・固体電解質体周波数に相当する周期時間で、スイッチ手段を一時的に閉じて印加電圧設定回路の設定電圧を調整するものである。

上記構成によれば、スイッチ手段の切替によりセンサ印加電圧が変更される際において、ガス拡散の交流インピーダンス成分に起因する出力回路の出力値（素子電流計測値）の誤差を抑制できる。これにより、印加電圧設定回路による設定電圧が一時的に調整され、その後通常の濃度検出状態に復帰する直後において、検出濃度に誤差が生じることを抑制できる。

センサ素子の交流インピーダンス特性について補足説明する。図９は、センサ素子に交流信号を印加した際の応答を表した複素インピーダンスプロット図であり、横軸には実数成分Ｚ’がプロットされ、縦軸には虚数成分Ｚ”がプロットされている。図中のＲ１は固体電解質体（ジルコニア）の粒子抵抗、Ｒ２は固体電解質体（ジルコニア）粒界抵抗、Ｒ３は電極界面抵抗である。図９では、周波数ｆ１を境に、それよりも高周波数側が電極・ジルコニア周波数域であり、低周波数側がガス拡散周波数域である。電極・ジルコニア周波数域ではジルコニア及び電極の反応が支配的になるのに対し、ガス拡散周波数域ではガス拡散の応答が支配的になっている。

ここで、請求項４の構成を採用することで、スイッチ手段を閉じて印加電圧設定回路の設定電圧を変更する際及びそれを戻す際において、交流信号に対するガス拡散抵抗成分の応答遅れに起因する素子電流の誤差（ガス濃度に相応する真値からのずれ）が生じるといった不都合を抑制できる。これにより、素子電流の検出精度が低下することを抑制することができる。

請求項５に記載の発明では、出力回路の出力を印加電圧設定回路に帰還入力させる第１帰還経路（図４の帰還入力経路Ｌ１）と、電圧変換素子のセンサ側端子の電圧を印加電圧設定回路に帰還入力させる第２帰還経路（図４の帰還入力経路Ｌ２）とが設けられ、２つの帰還経路のうち第２帰還経路にスイッチ手段が設けられている。そして、通常の濃度検出時には、前記２つの帰還経路のうち第１帰還経路のみが導通状態とされ、その第１帰還経路を介して帰還入力される出力回路の出力に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われる。また、素子電流補正用の電流補正値の算出時には、前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路のみが導通状態とされ、その第２帰還経路を介して帰還入力される電圧変換素子のセンサ側端子電圧に応じて印加電圧設定回路にて電圧設定が行われる。

上記構成によれば、印加電圧設定回路側への帰還経路を適宜切り替えることにより、ガス濃度検出を一時的に中断して電流補正値を算出することができる。

請求項６に記載の発明では、電圧変換素子のセンサ側端子と印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられ、その電圧フォロア又は非反転増幅回路と印加電圧設定回路との間の経路上にスイッチ手段が設けられている。かかる場合、電圧フォロア又は非反転増幅回路の出力側には素子電流が流れないことから、電圧変換素子のセンサ側端子と印加電圧設定回路との間の電気経路に、素子電流が流れない経路を設けることができる。そして、この経路にスイッチ手段が設けられることで、スイッチ手段による素子電流への悪影響を抑制できる。

請求項７に記載の発明では、印加電圧設定回路は、負帰還部を有するオペアンプを備えて構成され、オペアンプの出力側（出力端子側）であって前記負帰還部との接続点よりも反オペアンプ側（前記負帰還部の外）に電圧変換素子が設けられている。上記構成によれば、電圧変換素子の少なくとも反センサ側端子の電圧を計測することで素子電流が計測できる。また、オペアンプの出力端子電圧、すなわち電圧変換素子の反センサ側端子の電圧を制御することができるため、その反センサ側端子電圧をセンサ側端子電圧に対して増減させることができ、言い換えれば、電圧変換素子の両端電位差を制御することが可能となる。したがって、電圧変換素子の両端電位差をゼロにしたり、その他異なる値に制御したりすることが可能となる。

請求項８に記載の発明では、スイッチ手段を閉状態とした場合に、印加電圧設定回路の設定電圧を、電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる電圧とする構成としている。この場合、電圧変換素子の両端電位差をゼロ以外の所定値にすることで、所定の素子電流が流れる状態、すなわち素子電流＝所定値（≠０ｎＡ）の状態を作り出すことができ、その素子電流＝所定値の状態での電流補正値を求めることができる。

本ガスセンサ制御装置において特性ばらつきとしてゲイン誤差が生じる場合、電圧変換素子の両端電位差を少なくとも異なる２つの電圧値に調整し、その時の回路出力に基づいてゲイン補正値が算出されるとよい。かかる場合、以下の請求項９，１０のようにゲイン補正値が算出されるとよい。

請求項９に記載の発明では、スイッチ手段を閉状態とした場合に、印加電圧設定回路の設定電圧を、電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して複数異なる電位差を生じさせる電圧にそれぞれ調整し、それら電圧調整した複数の状態での前記出力回路の出力値を取得する。そして、複数の状態で取得した出力回路の出力値により前記電流補正値としてゲイン補正値を算出する。

また、請求項１０に記載の発明では、スイッチ手段を閉状態とした場合に、印加電圧設定回路の設定電圧を、電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して電位差ゼロとなる電圧と、電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる電圧とにそれぞれ調整し、それら電圧調整した２状態での出力回路の出力値を取得する。そして、前記２状態で取得した出力回路の出力値により前記電流補正値としてゲイン補正値を算出する。

請求項１１に記載の発明では、電圧変換素子に所定の両端電位差を生じさせる場合にその両端電位差相当の電圧を印加電圧設定回路に入力させる電圧生成部を備える。そして、スイッチ手段を閉状態とするのに合わせて、電圧生成部から両端電位差相当の電圧を前記印加電圧設定回路に入力させることで、電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる。

要するに、請求項１１の発明では、電圧変換素子の両端電位差を生じさせるための構成として、印加電圧設定回路の入力側に電圧生成部を接続する構成を採用している。この場合、電圧生成部の出力電圧に合わせて電圧変換素子の両端電位差を生じさせることができ、その両端電位差を任意に設定することが可能となる。

また、被検出ガスにおける特定成分の濃度を２つ以上の基準濃度に調整できる場合（例えば、排気中の酸素濃度を検出する場合にストイキ、大気状態とする場合など）には、その基準濃度に調整した後に素子電流を計測すれば、各計測値によりゲイン誤差を求めることが可能となるが、特定成分の濃度を２つ以上の基準濃度に調整できない場合、上記のように両端電位差相当の電圧を印加電圧設定回路に入力させる電圧生成部を備える構成が有効な手段である。例えば、排気中のＮＯｘ濃度を検出するガスセンサ制御装置において有効な手段となる。

請求項１２に記載したように、センサ素子が活性状態にあることを条件として前記電流補正値を算出するとよい。これにより、センサ素子に接続される端子部の電圧が安定し、電流補正値を精度良く求めることができる。

本発明のガスセンサ制御装置は、以下のようなガスセンサに好適に適用される。すなわち、ガスセンサは、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル（ポンプセル）及び第２セル（センサセル）を有するセンサ素子を備え、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を第１セルで所定濃度レベルに調整するとともに第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度（ＮＯｘ濃度等）を検出する。そして、ガスセンサ制御装置では、第２セルにて生じる第２セル電流を電圧変換素子により電圧に変換し、その第２セル電流計測値に基づいて特定成分の濃度を算出する。かかる場合、第２セルで計測される特定成分は酸素以外の、ＮＯｘ、ＨＣ等の濃度であり、その濃度検出のための素子電流は微弱である。例えば、ＮＯｘ濃度検出時の素子電流はｎＡ（ナノアンペア）オーダである。この点、上述した各々の特徴的構成によれば、微弱な素子電流であっても好適にガス濃度を検出できる。

前記センサ素子は、特定成分の濃度（ＮＯｘ濃度等）に対する素子電流の感度が４ｎＡ／ｐｐｍ以下である。

ガスセンサとして、以下の素子構造を有するものが適用できる。すなわち、ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質体及び第２固体電解質体の間に形成され被検出ガスが導入される被検出ガス室と、該被検出ガス室に所定の拡散抵抗のもとに被検出ガスを導入する拡散抵抗部と、前記被検出ガス室に導入された被検出ガス中の特定ガス濃度を検出する前記第２セルとしてのセンサセルと、前記被検出ガス室における酸素濃度を調整する前記第１セルとしての酸素ポンプセルと、を有するセンサ素子を備える。そして、前記センサセルは、前記第１固体電解質体と、前記被検出ガス室に面して前記第１固体電解質体に設けられた検出電極と、該検出電極と対をなすように前記第１固体電解質体に設けられた基準電極とを有し、前記酸素ポンプセルは、前記第２固体電解質体と、前記被検出ガス室に面して前記第２固体電解質体に設けられた内部ポンプ電極と、該内部ポンプ電極と対をなすように前記第２固体電解質体に設けられた外部ポンプ電極とを有する。さらに、前記拡散抵抗部は、前記被検出ガス室から、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されており、前記被検出ガス室において前記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に前記検出電極が配設されている。

上記構造のガスセンサでは、拡散抵抗部は、被検出ガス室から、第１固体電解質体と第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されている。これにより、拡散抵抗部の外側端部すなわち被検出ガスの導入口からセンサセルの検出電極までの距離を短くすることができ、センサ素子の応答性を向上させることができる。また、被検出ガス室における、内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に、検出電極が配設されている。そのため、被検出ガスが検出電極に到達する前に、酸素ポンプセルによって被検出ガス中の酸素濃度を調整することができる。それ故、センサ素子の検出精度を向上させることができる。以上により、応答性に優れた検出精度の高いセンサ素子を提供することができる。

センサ素子において、拡散抵抗部と内部ポンプ電極とは積層方向に重ねて設けられていることが好ましい。この場合、被検出ガスは、拡散抵抗部を通過して被検出ガス室に導入されるまでの間に、十分に内部ポンプ電極に接触することとなる。それ故、この間に、酸素ポンプセルによって酸素を十分にポンピングして、被検出ガス中の酸素濃度を十分に調整することができる。

センサ素子において、拡散抵抗部は、素子長手方向に直交する方向に形成されていることが好ましい。この場合特に、拡散抵抗部の外側端部すなわち被検出ガスの導入口からセンサ素子の検出電極までの距離を短くしやすく、センサ素子の応答性を一層向上させることができる。

また、センサ素子において、検出電極は、内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されていることが好ましい。この場合、酸素ポンプセルによって酸素濃度を十分に調整した後の被検出ガスを検出電極に供給できるため、特定ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

上記のように第１セル及び第２セルを有するガスセンサ（センサ素子）では、さらにガス室内の残留酸素濃度を検出する第３セル（モニタセル）を備えるものがあり、こうしたガスセンサでは、第２，第３セルの各々一方の電極を共通電極とし、その共通電極に対して共通の駆動回路部により電圧印加が行われるものがある。かかる場合、第２セルにて生じる第２セル電流を検出する第２セル電流検出回路と、第３セルにて生じる第３セル電流を検出する第３セル電流検出回路とを備え、それら各検出回路に前記スイッチ手段を設ける。そして、第２セル電流検出回路及び第３セル電流検出回路において前記スイッチ手段を閉じた状態で各々取得される出力回路の出力値により第２セル電流補正用の電流補正値、第３セル電流補正用の電流補正値をそれぞれ算出するとよい。

上記構成によれば、第２セル、第３セルの各電流検出回路にてスイッチ手段の開閉が個別に行われることで、それら各電流検出回路の特性ばらつき（回路誤差）が個別に算出できる。つまり、第２セル及び第３セルに共通の駆動回路部にスイッチ手段を設けた場合と比較して、算出される電流補正値の精度を高めることができる。

また、前記算出した素子電流補正用の電流補正値（オフセット補正値、又はゲイン補正値）に基づいて、センサ素子又はセンサ回路の異常を判定する異常判定手段を備えるとよい。つまり、センサ素子又はセンサ回路の異常発生時には、上記のとおり算出される電流補正値があり得ない値（補正では対処できない値）となるおそれがある。したがって、電流補正値による異常判定が可能となる。

また、前記異常判定手段により異常発生している旨判定された場合に、センサ素子への電圧印加を停止する電圧印加停止手段を備えるとよい。これにより、異常発生時に電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

ＮＯｘセンサの素子内部構造とＮＯｘセンサ回路とを示す構成図。 ＮＯｘセンサ回路の概要を示すブロック図。 センサセル／モニタセル駆動回路部の回路構成図。 Ｉｓ検出回路部の回路構成図。 センサセル／モニタセル保護回路部の回路構成図。 センサ出力補正値の算出処理を示すフローチャート。 センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）のオフセット誤差を説明するための図。 センサセル起電力に基づく異常検出処理を示すフローチャート。 センサ素子の複素インピーダンスプロット図。 センサ出力補正値の算出時における信号波形を示すタイムチャート。 第２の実施形態におけるＩｓ検出回路部の回路構成図。 第２の実施形態においてセンサ出力補正値の算出処理を示すフローチャート。 センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）のゲイン誤差を説明するための図。 第３の実施形態におけるセンサ素子の断面構造を示す断面図。 （ａ）は図１４のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１４のＢ−Ｂ線断面図。 別の実施形態におけるＩｓ検出回路部の回路構成図。 別の実施形態におけるＩｓ検出回路部の回路構成図。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載エンジンの排気管に設けられたＮＯｘセンサを用い、そのＮＯｘセンサの出力に基づいて排気中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘ濃度検出システムについて説明する。なお、車載エンジンは例えばディーゼルエンジンであり、同エンジンの排気管に設けられる排気浄化装置としてのＮＯｘ浄化触媒（ＮＯｘ吸蔵還元型触媒やアンモニア選択還元触媒等）について、ＮＯｘセンサの出力に基づいて異常診断等が実施されるようになっている。例えば、ＮＯｘ浄化触媒の下流側にＮＯｘセンサが設けられ、同ＮＯｘセンサの出力から算出されるＮＯｘ濃度（ＮＯｘ浄化率）が所定の異常判定値を上回る場合に、ＮＯｘ浄化触媒が異常である旨診断される。

まずは、ＮＯｘセンサを構成するセンサ素子１０について図１を用いて説明する。センサ素子１０はいわゆる積層型構造を有するものであり、その内部構造を図１に示している。図の左右方向がセンサ素子１０の長手方向に相当する。図の右側が素子基端側（排気管取り付け部位側）であり、図の左側が素子先端側である。センサ素子１０は、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものであり、それら各セルが積層配置されて構成されている。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、補助ポンプセル又は第２ポンプセルと称される場合もある。

センサ素子１０において、ジルコニア等の酸素イオン導電性材料からなる固体電解質体１１，１２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１３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体１１には排気導入口１１ａが形成されており、この排気導入口１１ａを介して当該センサ素子周囲の排気が第１チャンバ１４内に導入される。第１チャンバ１４は、絞り部１５を介して第２チャンバ１６に連通している。固体電解質体１１の図の上面には、排気を所定の拡散抵抗で出し入れするための多孔質拡散層１７が設けられるとともに、大気通路１８を区画形成するための絶縁層１９が設けられている。

また、固体電解質体１２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層２１が設けられ、この絶縁層２１により大気通路２２が形成されている。絶縁層２１には、センサ全体を加熱するためのヒータ（発熱体）２３が埋設されている。この場合、ヒータ２３により、ポンプセル３１、モニタセル３４及びセンサセル３５が加熱され、これら各セル３１，３４，３５の活性化が促進される。ヒータ２３は、図示しないバッテリ電源等からの給電により熱エネルギを発生する。

図の下側の固体電解質体１２には、第１チャンバ１４に対面するようにしてポンプセル３１が設けられており、ポンプセル３１は、第１チャンバ１４内に導入された排気中の酸素を出し入れして同チャンバ１４内の残留酸素濃度を所定濃度に調整する。ポンプセル３１は、固体電解質体１２を挟んで設けられる上下一対の電極３２，３３を有し、そのうち特に第１チャンバ１４側の電極３２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘを分解し難い電極）となっている。ポンプセル３１は、電極３２，３３間に電圧が印加された状態で、第１チャンバ１４内に存在する酸素を分解して電極３３より大気通路２２側に排出する。

また、図の上側の固体電解質体１１には、第２チャンバ１６に対面するようにしてモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。モニタセル３４は、上述したポンプセル３１により余剰酸素が排出された後に、第２チャンバ１６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。センサセル３５は、第２チャンバ１６内のガスからＮＯｘ濃度を検出する。

モニタセル３４及びセンサセル３５は、互いに近接した位置に並べて配置されており、第２チャンバ１６側に電極３６，３７を有するとともに、大気通路１８側に共通電極３８を有する構成となっている。すなわち、モニタセル３４は、固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３６及び共通電極３８とにより構成され、センサセル３５は、同じく固体電解質体１１とそれを挟んで対向配置された電極３７及び共通電極３８とにより構成されている。モニタセル３４の電極３６（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘ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３５の電極３７（第２チャンバ１６側の電極）はＮＯｘに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。なお、便宜上図面ではモニタセル３４及びセンサセル３５を排気の流れ方向に対して前後に並べて示すが、実際には、これら各セル３４，３５は排気の流れ方向に対して同等位置になるよう配置されるようになっている。

ここで、ポンプセル３１と、モニタセル３４及びセンサセル３５とは、センサ素子１０の長手方向に並べて設けられており、センサ素子１０の先端側にポンプセル３１が設けられ、同基端側（排気管取り付け側）にモニタセル３４及びセンサセル３５が設けられている。

上記構成のセンサ素子１０では、排気は多孔質拡散層１７及び排気導入口１１ａを通って第１チャンバ１４に導入される。そして、この排気がポンプセル３１近傍を通過する際、ポンプセル電極３２，３３間にポンプセル印加電圧Ｖｐが印加されることで分解反応が起こり、第１チャンバ１４内の酸素濃度に応じてポンプセル３１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１４側の電極３２がＮＯｘ不活性電極であるため、ポンプセル３１では排気中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて電極３３から大気通路２２に排出される。こうしたポンプセル３１の働きにより、第１チャンバ１４内が所定の低酸素濃度の状態に保持される。

ポンプセル３１近傍を通過したガス（酸素濃度調整後のガス）は第２チャンバ１６に流れ込み、モニタセル３４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３４の出力は、モニタセル電極３６，３８間に所定のモニタセル印加電圧Ｖｍが印加され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３７，３８間に所定のセンサセル印加電圧Ｖｓが印加されることでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が電極３８から大気通路１８に排出される。このとき、センサセル３５に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排気中のＮＯｘ濃度が検出される。

ＮＯｘセンサ回路４０はセンサ制御の主体となるマイコン４１と制御回路部（詳細は図２で後述する）とを有しており、このマイコン４１や制御回路部により、ポンプセル３１の電極３２，３３間に印加するポンプセル電圧Ｖｐ、モニタセル３４の電極３６，３８間に印加するモニタセル電圧Ｖｍ、センサセル３５の電極３７，３８間に印加するセンサセル電圧Ｖｓがそれぞれ制御される。マイコン４１には、ポンプセル電流Ｉｐ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの各々の計測値が逐次入力され、マイコン４１は、これらの計測値に基づいて排気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を算出する。

図２は、ＮＯｘセンサ回路４０の概要を示すブロック図である。なお、ＮＯｘセンサ回路４０には、図示する各回路部以外にヒータ駆動回路部も含まれるが、図２では図示を省略している。

図２において、ＮＯｘセンサ回路４０には、ポンプセル３１の電極３２，３３にそれぞれ接続される正側端子ＰＳ＋及び負側端子ＰＳ−と、モニタセル３４及びセンサセル３５の共通電極３８に接続される共通端子ＣＯＭ＋と、モニタセル３４及びセンサセル３５の各電極３６，３７にそれぞれ接続される負側端子ＭＳ−，ＳＳ−とが設けられている。

ポンプセル３１の正側端子ＰＳ＋には、ポンプセル３１に印加するためのポンプセル印加電圧を可変設定するポンプセル駆動回路部４２が接続され、負側端子ＰＳ−には、ポンプセル電流Ｉｐを検出するＩｐ検出回路部４３が接続されている。ポンプセル駆動回路部４２では、Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル印加電圧が制御される。Ｉｐ検出回路部４３により検出されたポンプセル電流Ｉｐはマイコン４１に逐次入力される。

また、センサセル３５とモニタセル３４との正側の共通端子ＣＯＭ＋には、これら各セル３４，３５に共通の電圧を印加するセンサセル／モニタセル駆動回路部４４が接続され、各セル３５，３４の負側端子ＳＳ−，ＭＳ−にはそれぞれ、センサセル電流Ｉｓを検出するＩｓ検出回路部４５、モニタセル電流Ｉｍを検出するＩｍ検出回路部４６が接続されている。Ｉｓ検出回路部４５とＩｍ検出回路部４６とにはマイコン４１が接続されており、各検出回路部４５，４６でセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍに応じて計測された電流計測値ＶＳ１，ＶＭ１がマイコン４１に逐次入力される。また、センサセル／モニタセル駆動回路部４４、Ｉｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６では、それぞれ各端子ＣＯＭ＋，ＳＳ−，ＭＳ−における端子電圧が計測され、その端子電圧（Ｖｃｏｍ，ＶＳ２，ＶＭ２）がマイコン４１に逐次入力されるようになっている。詳細は後述する。

その他、センサセル／モニタセル駆動回路部４４には、異常発生時等においてモニタセル３４及びセンサセル３５の保護を図るべくこれら各セルへの電圧印加を中止させるセンサセル／モニタセル保護回路部４８が接続されている。

以下、ＮＯｘセンサ回路４０を構成する各回路部の詳細を説明する。ただし、本実施形態では、ポンプセル３１に関する回路構成は何ら既存のものと変わりないため、ポンプセル駆動回路部４２とＩｐ検出回路部４３とについては説明を省略する。

図３は、センサセル／モニタセル駆動回路部４４の回路構成図である。図３において、定電圧源（定電圧Ｖｃｃ）には２つの抵抗からなる抵抗分圧回路５１が接続され、その抵抗分圧回路５１の分圧電圧ＶＸ１がオペアンプ５２の＋入力端子に入力される。オペアンプ５２の出力端子にはスイッチ回路５３と保護抵抗５４とを介して共通端子ＣＯＭ＋が接続されている。オペアンプ５２の負帰還部には保護抵抗５５が設けられている。共通端子ＣＯＭ＋にはＥＳＤ（静電気放電）対応用のコンデンサ５６が接続されている。

また、共通端子ＣＯＭ＋と同電圧となる図の点Ａ１には、保護抵抗５７を介して電圧フォロア５８が接続されており、本駆動回路部４４では、共通端子ＣＯＭ＋の電圧が共通端子電圧Ｖｃｏｍとして出力される。

スイッチ回路５３は、後述するセンサセル／モニタセル保護回路部４８から入力される電圧印加停止信号ＳＧ１に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、電圧印加停止信号ＳＧ１が反転回路５９を介してスイッチ回路５３に入力される。本構成では、ＳＧ１＝ロウの場合（電圧印加許可の場合）にスイッチ回路５３が閉鎖され、抵抗分圧回路５１の分圧電圧ＶＸ１が共通端子ＣＯＭ＋に印加される。また、ＳＧ１＝ハイの場合（電圧印加停止の場合）にスイッチ回路５３が開放され、共通端子ＣＯＭ＋への分圧電圧ＶＸ１の印加が遮断される。

次に、Ｉｓ検出回路部４５の構成を図４を用いて説明する。図４において、センサセル３５の負側端子ＳＳ−には、電圧変換素子としての電流計測抵抗（シャント抵抗）６１と差動増幅回路６２とが直列に接続されている。この場合特に、電流計測抵抗６１は、差動増幅回路６２を構成するオペアンプの出力側（出力端子側）であって負帰還部との接続点（図のＢ２）よりも反オペアンプ側（負帰還部の外）に設けられている。差動増幅回路６２の＋入力端子には、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路６３が接続され、−入力端子には、帰還入力経路Ｌ１が接続されている。

また、電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、負側端子ＳＳ−側であるＢ１点（電流計測抵抗６１のセンサ側端子）には保護抵抗６４を介して電圧フォロア６５が接続されており、電圧フォロア６５の出力端子が差動増幅回路６６の＋入力端子に接続されている。また、差動増幅回路６６の−入力端子にはＢ２点（電流計測抵抗６１の反センサ側端子）が接続されている。したがって、電流計測抵抗６１にセンサセル電流Ｉｓが流れると、そのセンサセル電流Ｉｓに応じて電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）で電位差が生じ、その電位差が差動増幅回路６６にて所定の増幅率で増幅された後、センサセル電流計測値ＶＳ１として出力される。

差動増幅回路６６の出力であるセンサセル電流計測値ＶＳ１は、帰還入力経路Ｌ１を通じて差動増幅回路６２の−入力端子に入力されるようになっている。これに関して詳しくは、「出力回路」としての差動増幅回路６６の出力端子と、「印加電圧設定回路」としての差動増幅回路６２の−入力端子とは帰還入力経路Ｌ１により接続されており、その帰還入力経路Ｌ１の途中に、当該経路Ｌ１を断続（開閉）するためのスイッチ回路６７と、抵抗及びコンデンサよりなるノイズ除去用のＬＰＦ（ローパスフィルタ）６８とが設けられている。通常時はスイッチ回路６７が閉鎖されており、差動増幅回路６６の出力であるセンサセル電流計測値ＶＳ１が差動増幅回路６２に帰還入力される。なお、スイッチ回路６７は、例えばトランジスタ等の半導体スイッチング素子により構成されている（後述する各スイッチ回路も同様）。

電圧フォロア６５の出力電圧は、Ｂ１点の電圧（すなわち、センサセル３５の負側端子ＳＳ−の電圧）と同じであり、その出力電圧がセンサセル端子電圧ＶＳ２として出力されるようになっている。

また、電圧フォロア６５の出力端子と差動増幅回路６２の＋入力端子とは帰還入力経路Ｌ２により接続されており、その帰還入力経路Ｌ２の途中に、当該経路Ｌ２を断続（開閉）するためのスイッチ回路７１が設けられている。通常時はスイッチ回路７１が開放されており、閉鎖されることで電圧フォロア６５の出力であるセンサセル端子電圧ＶＳ２が差動増幅回路６２に帰還入力される。ここで、電圧フォロア６５は入力インピーダンスが大きく、その出力側に素子電流が流れないことから、帰還入力経路Ｌ２を、素子電流が流れない経路とすることができる。そして、この経路にスイッチ回路７１が設けられている。

帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ設けられるスイッチ回路６７，７１は、マイコン４１から入力されるハイ／ロウ２値の回路切替信号ＳＧ２に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、回路切替信号ＳＧ２はそのまま一方のスイッチ回路６７に入力されるとともに、反転回路７２を介して他方のスイッチ回路７１に入力される。本実施形態では、ＳＧ２＝ハイの場合に、スイッチ回路６７が閉鎖、スイッチ回路７１が開放となり、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のうち帰還入力経路Ｌ１のみが導通状態とされる。また、ＳＧ２＝ロウの場合に、スイッチ回路６７が開放、スイッチ回路７１が閉鎖となり、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のうち帰還入力経路Ｌ２のみが導通状態とされる。要するに、スイッチ回路６７，７１は開閉時期が逆となる態様で開閉され、それにより帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２のいずれか一方のみが導通状態とされる構成となっている。

通常時にＮＯｘ濃度を検出する場合、すなわち排気中のＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流Ｉｓを計測する場合には、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてハイ信号が出力され、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１が帰還入力経路Ｌ１を介して差動増幅回路６２の−入力端子に入力される。そして、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１に応じて差動増幅回路６２の出力が増減する。このとき、センサセル電流Ｉｓが大きいほど出力ＶＳ１が大きくなり、それに伴い差動増幅回路６２の出力が減少する。

これに対し、電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロにし、同電流計測抵抗６１に流れる電流が０ｎＡとなる状態にする場合には、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてロウ信号が出力され、電圧フォロア６５の出力ＶＳ２が帰還入力経路Ｌ２を介して差動増幅回路６２の＋入力端子に入力される。このとき、差動増幅回路６２によれば、電流計測抵抗６１の反センサ側端子（Ｂ２点）の電圧が、同電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）と同じで電圧に調整される。これにより、電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態（電流＝０ｎＡの状態）となる。かかる場合、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態はＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍの状態に相当し、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１は本来チャンバ内の残留酸素濃度分の所定値になるが、仮にオフセット誤差が生じていれば、その誤差分だけ出力値にずれが生じる。したがって、その出力によりオフセット誤差を求めることができる。

また、マイコン４１から回路切替信号ＳＧ２としてロウ信号が出力された場合には、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態となることから、センサセル３５の負側端子ＳＳ−にはセンサセル起電力に応じた電圧が生じ、それがセンサセル端子電圧ＶＳ２として計測される。

電流計測抵抗６１の両端（Ｂ１点、Ｂ２点）のうち、Ｂ１点にはバイアス電流抵抗７５とＥＳＤ対応用のコンデンサ７６とが接続されている。つまり、これらバイアス電流抵抗７５、ＥＳＤ対応用のコンデンサ７６は一端が電流計測抵抗６１のセンサ側端子に接続され、他端が接地されている。バイアス電流抵抗７５の抵抗値は、例えば１ＭΩ又はそれ以上である。

ここで、Ｂ１点（電流計測抵抗６１のセンサ側端子）にバイアス電流抵抗７５が接続されていることにより、断線や素子割れ等の異常が生じている状態下で上記のようにセンサセル起電力を計測する場合において、センサセル端子電圧ＶＳ２を固定電圧とすることができる。言い換えると、センサセル端子電圧ＶＳ２として起電力異常に対応する値を取得することが可能となる。つまり、断線や素子割れ等の異常発生状態ではセンサセル３５で起電力が発生せず、センサセル端子電圧ＶＳ２（図のＢ１点電圧）が不定となるが、バイアス電流抵抗７５を設けた上記構成によれば、センサ起電力が発生しない状態でも、センサセル端子電圧ＶＳ２を所定電圧（バイアス電流抵抗７５の抵抗値に応じた電圧）に保持することができる。したがって、こうした起電力未発生の状態でもセンサセル端子電圧ＶＳ２が安定し、異常値としてのセンサ起電力を検出できる。

なお、本実施形態では、バイアス電流抵抗７５の低電位側をグランドに接続しているが、これに限らず、固定電位となる他の基準電位部に接続する構成であってもよい。例えば、バイアス電流抵抗７５の一端を電源回路に接続する構成や、グランド電圧〜電源電圧の範囲内の所定電圧を出力する回路部に接続する構成であってもよい。

上記のようにバイアス電流抵抗７５を設けた場合、そのバイアス電流抵抗７５を通じて電流が流れるため、その分、電流計測抵抗６１に流れる電流が減じられることも考えられる。ゆえに、バイアス電流抵抗７５に流れる電流をあらかじめ計測しておき、その計測電流分を電流補正する構成としてもよい。

Ｉｍ検出回路部４６は、Ｉｓ検出回路部４５と同様の回路構成を有しており、説明が重複するため図示及び詳細な説明を省略する。すなわち、Ｉｍ検出回路部４６としても図４の回路がそのまま用いられる。なお、図２に示すように、Ｉｍ検出回路部４６に対しては、マイコン４１からモニタセル用の回路切替信号ＳＧ３が出力され、この回路切替信号ＳＧ３により、通常時における残留酸素濃度検出の状態と、電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態（電流＝０ｎＡとする状態）とが切り替えられるようになっている（上述した回路切替信号ＳＧ２と同様）。また、Ｉｍ検出回路部４６では、図４のセンサセル電流計測値ＶＳ１に代えてモニタセル電流計測値ＶＭ１が出力されるとともに、センサセル端子電圧ＶＳ２に代えてモニタセル端子電圧ＶＭ２が出力されるようになっている。電流計測抵抗の両端電位差をゼロとする状態では、モニタセル端子電圧ＶＭ２によりモニタセル起電力が計測される。

図２に示すマイコン４１では、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１とＩｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル電流計測値ＶＭ１とが入力され、それら各入力値に基づいて（Ｉｓ−Ｉｍ）値が算出される。そして、その（Ｉｓ−Ｉｍ）値に基づいて排気中のＮＯｘ濃度が算出される。

次に、センサセル／モニタセル保護回路部４８の構成を図５を用いて説明する。このセンサセル／モニタセル保護回路部４８では、例えば、センサセル３５及びモニタセル３４の正負両側における回路部分（正側の共通端子ＣＯＭ＋、負側端子ＳＳ−，ＭＳ−に接続された回路部分）の電源ショート異常やグランドショート異常が検出される。本実施形態では、センサセル／モニタセル保護回路部４８が「電圧印加停止手段」に相当する。

図５において、本保護回路部４８には、センサセル／モニタセル駆動回路部４４から出力される共通端子電圧Ｖｃｏｍと、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル端子電圧ＶＳ２と、Ｉｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル端子電圧ＶＭ２とが各々入力される。その他、同保護回路部４８には、マイコン４１から異常判定信号ＳＧ４が入力される。異常判定信号ＳＧ４については後で詳述するが、略述すると、異常判定信号ＳＧ４は、正常時にＳＧ４＝ハイ、異常発生時にＳＧ４＝ロウとされる２値信号である。そして、センサセル／モニタセル保護回路部４８は、これらの各入力信号に基づいて電圧印加停止信号ＳＧ１を生成し、同信号ＳＧ１をセンサセル／モニタセル駆動回路部４４に対して出力する。その詳細を以下に説明する。

センサセル／モニタセル保護回路部４８は、５つの比較回路８１〜８５を有している。各比較回路８１〜８５の動作は以下のとおりである。

第１比較回路８１は、共通端子電圧Ｖｃｏｍ（正常時４．４Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ１（例えば４．６Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＜Ｖｒｅｆ１であって第１比較回路８１の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＞Ｖｒｅｆ１になると第１比較回路８１の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第１比較回路８１の出力がハイになる。

第２比較回路８２は、センサセル端子電圧ＶＳ２（正常時４．０Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ２（例えば３．８Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶＳ２＞Ｖｒｅｆ２であって第２比較回路８２の出力がロウであるが、異常時にＶＳ２＜Ｖｒｅｆ２になると第２比較回路８２の出力がハイになる。例えば、センサセル３５の負側端子ＳＳ−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第２比較回路８２の出力がハイになる。

第３比較回路８３は、モニタセル端子電圧ＶＭ２（正常時４．０Ｖ）と基準電圧Ｖｒｅｆ３（例えば３．８Ｖ）とを大小比較する。この場合、正常時にはＶＭ２＞Ｖｒｅｆ３であって第３比較回路８３の出力がロウであるが、異常時にＶＭ２＜Ｖｒｅｆ３になると第３比較回路８３の出力がハイになる。例えば、モニタセル３４の負側端子ＭＳ−に接続される部位でグランドショートが生じた場合、第３比較回路８３の出力がハイになる。

第４比較回路８４は、共通端子電圧Ｖｃｏｍとセンサセル端子電圧ＶＳ２とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＞ＶＳ２であって第４比較回路８４の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＜ＶＳ２になると第４比較回路８４の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はセンサセル３５の負側端子ＳＳ−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第４比較回路８４の出力がハイになる。

第５比較回路８５は、共通端子電圧Ｖｃｏｍとモニタセル端子電圧ＶＭ２とを大小比較する。この場合、正常時にはＶｃｏｍ＞ＶＭ２であって第５比較回路８５の出力がロウであるが、異常時にＶｃｏｍ＜ＶＭ２になると第５比較回路８５の出力がハイになる。例えば、共通端子ＣＯＭ＋に接続される部位でグランドショートが生じた場合、又はモニタセル３４の負側端子ＭＳ−に接続される部位で電源ショートが生じた場合、第５比較回路８５の出力がハイになる。

なお図示は略するが、基準電圧Ｖｒｅｆ１〜Ｖｒｅｆ３は、いずれも定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗により分圧する抵抗分圧回路により生成されるものである。

そして、５つの比較回路８１〜８５の各出力と、マイコン４１からの異常判定信号ＳＧ４とがＯＲ回路８６に入力される。この場合、ＯＲ回路８６の複数の入力のうち何れかがハイであれば、電圧印加停止信号ＳＧ１としてハイ信号が出力される。ＳＧ１＝ハイであれば、前述のとおりセンサセル／モニタセル駆動回路部４４においてスイッチ回路５３が開放され、共通端子ＣＯＭ＋への電圧印加が遮断される（図３参照）。つまり、センサセル３５及びモニタセル３４について電源ショートやグランドショートといった異常が発生している場合、あるいはマイコン４１からハイレベルの異常判定信号ＳＧ４が出力されている場合には、センサセル３５及びモニタセル３４への電圧印加が停止されてこれら各セルの保護が図られる。より具体的には、センサセル３５及びモニタセル３４への過電流が防止されることで、センサ素子の破損等を抑制できる。

次に、マイコン４１により実行されるセンサ出力補正値の算出処理と、センサ起電力による異常検出処理とについて説明する。センサ出力補正値の算出処理は、ＮＯｘ濃度検出の途中においてＩｓ検出回路部４５やＩｍ検出回路部４６における電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとし、その状態での回路出力により出力補正値（特に本実施形態ではオフセット補正値）を算出するものである。また、異常検出処理は、上記のとおり電流計測抵抗の両端電位差を一時的にゼロとすることで得られたセンサセル３５又はモニタセル３４の起電力値に基づいて、断線や素子割れ、素子活性不良等の異常の有無を検出するものである。

まずは、センサ出力補正値の算出処理について図６のフローチャートを参照しながら説明する。なお、図６に示す処理は、マイコン４１により所定の時間周期で繰り返し実行される。ここでは、Ｉｓ検出回路部４５の出力値（ＶＳ１）におけるオフセット補正値を算出する手順を説明する。

図６において、ステップＳ１１では、今現在、オフセット補正値の算出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態ではオフセット補正値の算出周期を１０秒としており、１０秒が経過する度にステップＳ１１が肯定される。オフセット補正値の算出周期は、例えば回路の温度変化が生じる速さに応じて設定されるのが望ましい。オフセット補正値の算出タイミングであれば、ステップＳ１２に進み、センサセル３５が所定の活性温度（例えば７５０℃）まで昇温されているか否かを判定する。具体的には、エンジン始動時からの経過時間やヒータ投入電力、又はセンサセル３５におけるインピーダンス検出値などに基づいて、センサセル３５の昇温状態が判定される。

センサセル３５が所定の活性温度まで昇温されていればステップＳ１３に進み、Ｉｓ検出回路部４５に対して出力される回路切替信号ＳＧ２をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２への帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２の導通切替（ここではＬ１→Ｌ２への切替）が行われ、それに伴い、電流計測抵抗６１に流れる電流が意図的に０ｎＡにされる。続くステップＳ１４では、回路切替信号ＳＧ２のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。

そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ１５では、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１を読み込み、そのＶＳ１値によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する。本実施形態では、その時のＶＳ１値を電流換算してオフセット補正値Ｆｏｆｆとし、そのオフセット補正値Ｆｏｆｆをバックアップ用デバイス（例えば、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶する。言い加えると、オフセット補正値Ｆｏｆｆは、学習値としてバックアップ用デバイスに記憶されるとともに適宜更新されるものとなっている。

その後、ステップＳ１６では、回路切替信号ＳＧ２をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路がＬ１に戻され、それに伴いＩｓ検出回路部４５が通常のＮＯｘ濃度検出状態に戻される。続くステップＳ１７では、回路切替信号ＳＧ２のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のＮＯｘ濃度検出が再開される（ステップＳ１８）。

上記のように算出されたオフセット補正値Ｆｏｆｆは、ＮＯｘ濃度検出時において、逐次計測されたセンサセル電流Ｉｓ（ＶＳ１の電流換算値）の補正に適宜用いられる。すなわち、ＮＯｘ濃度検出時に計測されたセンサセル電流Ｉｓからオフセット補正値Ｆｏｆｆが減算されて補正後センサセル電流が算出され（補正後センサセル電流＝Ｉｓ−Ｆｏｆｆ）、その補正後センサセル電流に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

実際には、Ｉｓ検出回路部４５だけでなくＩｍ検出回路部４６についても同様にオフセット補正値の算出が行われ、それら２つの検出回路部４５，４６におけるオフセット補正値を両方用いてＮＯｘ濃度の算出が行われる。この場合、センサセル電流Ｉｓ（計測値）からセンサセル用のオフセット補正値が減算されて補正後センサセル電流が算出されるとともに、モニタセル電流Ｉｍ（計測値）からモニタセル用のオフセット補正値が減算されて補正後モニタセル電流が算出され、それら補正後センサセル電流と補正後モニタセル電流との差（＝補正後センサセル電流−補正後モニタセル電流）に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

ここで、図７に示すように、ＮＯｘセンサ回路４０では、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）についてそれぞれオフセット誤差が生じる。図中、「センサ出力」はセンサ素子１０にて実際に生じた電流値であり、「回路検出値」は、実際のセンサ出力に対してＮＯｘセンサ回路４０（Ｉｓ検出回路部４５、Ｉｍ検出回路部４６）で計測された計測値である。

かかる場合において、センサ出力に対するオフセット誤差をオフセット補正値として求め、このオフセット補正値を用いてセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍをそれぞれ補正することにより、回路検出値のオフセット誤差に起因するＮＯｘ濃度の算出精度低下を抑制できる。

図８は、センサセル起電力に基づく異常検出処理を示すフローチャートである。本処理は、マイコン４１により所定の時間周期で繰り返し実行される。

図８において、ステップＳ２１では、今現在、異常検出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態では異常検出周期を０．５秒としており、０．５秒が経過する度にステップＳ２１が肯定される。異常検出タイミングであれば、ステップＳ２２に進み、センサセル３５が所定の活性温度（例えば７５０℃）まで昇温されているか否かを判定する（上記ステップＳ１２と同様）。また、ステップＳ２３では、エンジン始動後においてセンサ素子１０のチャンバ１４，１６内の酸素が十分に排出され、残留酸素濃度が所定の低酸素レベルになっているか否かを判定する。例えば、エンジン始動時からの経過時間などに基づいて、残留酸素の排出状況が判定される。

そして、ステップＳ２２，Ｓ２３が共に肯定されるとステップＳ２４に進み、Ｉｓ検出回路部４５に対して出力される回路切替信号ＳＧ２をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２への帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２の導通切替（ここではＬ１→Ｌ２への切替）が行われ、それに伴い、電流計測抵抗６１に流れる電流が意図的に０ｎＡにされる。続くステップＳ２５では、回路切替信号ＳＧ２のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。

そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ２６では、共通端子電圧Ｖｃｏｍとセンサセル端子電圧ＶＳ２とを読み込み、そのＶｏｍ値とＶＳ２値とによりセンサセル３５の起電力値を検出する。具体的には、共通端子電圧Ｖｃｏｍ（センサセル正側端子の起電力計測値）からセンサセル端子電圧ＶＳ２（センサセル負側端子の起電力計測値）を減算することで、センサセル３５の起電力値を算出する。またこのとき、センサセル３５の起電力値をバックアップ用デバイス（例えば、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶する。

その後、ステップＳ２７では、上記ステップＳ２６で検出した起電力値があらかじめ定めた正常範囲に入っているか否かを判定する。具体的には、センサ素子１０のチャンバ内は基本的に弱リーン状態にあり、センサセル３５の起電力は０．２Ｖ程度の電圧値となる。ゆえに、０．２Ｖ±０．１Ｖの範囲（０．１〜０．３Ｖの範囲）を正常範囲としている。ただし、通常時のセンサセル印加電圧が０．４Ｖ（＝４．４Ｖ−４．０Ｖ）であることを考慮し、正常範囲を０．１〜０．４Ｖとしてもよい。

起電力値が正常範囲に入っていれば、ステップＳ２８に進み、断線や素子割れ等の異常が発生していないとして正常判定を実施する。また、起電力値が正常範囲に入っていなければ、ステップＳ２９に進み、起電力異常が連続して所定回数発生しているか否かを判定する。そして、起電力異常が連続して所定回数発生していれば、ステップＳ３０に進み、断線や素子割れ等の異常が発生しているとして異常判定を実施する。

断線や素子割れ等の異常が発生している旨判定された場合には、ステップＳ３１でセンサセル／モニタセル保護回路部４８に対して異常判定信号ＳＧ４としてハイ信号を出力する。

その後、ステップＳ３２では、回路切替信号ＳＧ２をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路がＬ１に戻され、それに伴いＩｓ検出回路部４５が通常のＮＯｘ濃度検出状態に戻される。続くステップＳ３３では、回路切替信号ＳＧ２のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のＮＯｘ濃度検出が再開される（ステップＳ３４）。

図示は省略するが、モニタセル３４についても同様にモニタセル起電力に基づく異常検出処理が実施される。その手順は図８の手順に準ずる。簡単に説明すると、Ｉｍ検出回路部４６において電流計測抵抗の両端電位差がゼロとなる状態とし、その状態下でモニタセル端子電圧ＶＭ２によりモニタセル起電力を検出する。そして、そのモニタセル起電力が正常範囲（０．１〜０．３Ｖの範囲、又は０．１〜０．４Ｖの範囲）に入っているか否かにより異常判定を実施する。これにより、モニタセル３４について断線や素子割れ等の異常が検出される。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において、素子電流（センサセル電流、モニタセル電流）が流れない経路上にスイッチ回路７１を設け、そのスイッチ回路７１を閉じた状態で差動増幅回路６６の出力ＶＳ１（又はＶＭ１）によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成とした。本構成では、ＮＯｘセンサ回路４０でオフセット誤差が生じている場合において、そのオフセット誤差に相当するオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に求めることができる。

また特に、素子電流が流れない経路（帰還入力経路Ｌ２）上にスイッチ回路７１が設けられているため（逆に言えば、素子電流が流れる経路上にはスイッチ回路が設けられていないため）、そのスイッチ回路７１によるリーク電流、具体的にはトランジスタ等の半導体スイッチング素子によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。つまり、スイッチ回路７１でリーク電流が生じたとしても素子電流計測としては何ら影響はない（仮に影響が生じたとしてもそれは極めて微小である）。本実施形態のように微弱なＮＯｘ検出電流を計測する場合には、スイッチ回路の存在が原因で電流計測値に誤差が生じると、ＮＯｘ濃度検出への影響が大きなものとなるが、こうした不都合を回避できる。

上記のようにオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に算出でき、かつスイッチ回路のリーク電流を原因とする悪影響を排除できることから、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。また、ＮＯｘセンサ回路４０において温度特性や経時変化を原因として出力誤差が生じ、さらに同出力誤差の変化が生じる場合にも、その出力特性を好適に解消しつつ適正にＮＯｘ濃度を検出できる。

スイッチ回路７１を閉じることで電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロとし、その電位差ゼロの状態で差動増幅回路６６の出力ＶＳ１（又はＶＭ１）からオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成とした。これにより、ＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍでの計測状態における出力ＶＳ１（又はＶＭ１）によりオフセット補正値Ｆｏｆｆを好適に算出することができる。

Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において、２つの帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２にそれぞれスイッチ回路６７，７１を設け、通常のＮＯｘ濃度検出か、オフセット補正値算出時かに応じてスイッチ回路６７，７１を開閉して、導通状態となる帰還入力経路を適宜切り替える構成とした。この場合、差動増幅回路６２への帰還入力経路を適宜切り替えることで、ＮＯｘ濃度検出を一時的に中断してオフセット補正値の算出を実施することができる。

また、差動増幅回路６２の負帰還部の外、すなわち負帰還部との接続点よりも反オペアンプ側に電流計測抵抗６１を設けたため、同差動増幅回路６２の出力（電流計測抵抗６１の反センサ側端子電圧）を制御することが可能となり、電流計測抵抗６１の両端電位差を可変に調整することができる。したがって、電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロにすることが可能となる。

センサセル３５及びモニタセル３４の正側電極に共通の駆動回路部４４を接続するとともに、それら各セル３５，３４の負側電極にＩｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６をそれぞれ接続した構成において、Ｉｓ検出回路部４５及びＩｍ検出回路部４６にそれぞれスイッチ回路７１を設け、各検出回路部４５，４６にて取得した電流計測値ＶＳ１，ＶＭ１により各検出回路部４５，４６のオフセット補正値をそれぞれ算出する構成とした。これにより、各検出回路部４５，４６の特性ばらつき（回路誤差）がセルごとに算出できる。したがって、各セル３４，３５の共通の駆動回路部であるセンサセル／モニタセル駆動回路部４４にスイッチ回路を設けた場合と比較して、算出されるオフセット補正値の精度を高めることができる。

センサ出力補正値の算出処理（図６）において、センサセル３５（又はモニタセル３４）が温度活性の状態にあることを条件としてオフセット補正値Ｆｏｆｆを算出する構成としたため、回路出力が安定した状態でオフセット補正値Ｆｏｆｆを精度良く求めることができる。

同じくセンサ出力補正値の算出処理（図６）において、スイッチ回路６７，７１の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、回路出力が安定した状態でセンサセル電流計測値ＶＳ１を取得することができ、都度のＮＯｘ濃度値やオフセット補正値Ｆｏｆｆを精度良く求めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、ＶＳ１の時間当たりの変化量（変化率）が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。

また、Ｉｓ検出回路部４５において、スイッチ回路７１を閉じた状態でセンサセル３５の起電力を検出し（Ｉｍ検出回路部４６も同様）、その起電力に基づいて異常判定を実施する構成としたため、素子割れや活性不良、断線等の異常が発生している場合にその異常の発生を好適に検出できる。

センサセル／モニタセル保護回路部４８において、センサセル３５及びモニタセル３４の各端子電圧である共通端子電圧Ｖｃｏｍ、センサセル端子電圧ＶＳ２及びモニタセル端子電圧ＶＭ２に基づいて異常判定を実施する構成とした（実際には、各端子電圧に基づいて異常判定信号ＳＧ４を出力する構成とした）。これにより、素子割れや活性不良、断線等の異常以外に、センサセル３５及びモニタセル３４の各電極側の電源ショートやグランドショートの異常も検出できることとなる。

断線等の各種異常が発生している旨判定された場合に異常判定信号ＳＧ４をハイ信号とし、センサセル／モニタセル駆動回路部４４においてセンサセル３５及びモニタセル３４への電圧印加を停止する構成とした。これにより、異常発生時に各セルへの電圧印加を継続することによるセンサ素子への悪影響を抑制でき、ひいてはセンサ素子の保護を図ることができる。

そもそも微弱電流が流れることを想定しているＮＯｘセンサ回路４０では、各種の異常（特に端子部での電源ショート、グランドショート）が発生するとセンサ素子に過大な電流が流れてしまい、センサ素子の破壊や出力特性の変化が発生するなど悪影響が及ぶ。この点、上記のように異常発生時に各セルへの電圧印加を停止することにより、センサ素子の保護を図ることができる。

異常検出処理（図８）において、センサセル３５（又はモニタセル３４）が温度活性の状態にあること、エンジン始動後においてセンサ素子１０のチャンバ１４，１６内の酸素が十分に排出されていることを条件としてセンサ起電力を検出する構成としたため、センサ起電力を適正に検出し、ひいては異常検出の精度を高めることができる。

同じく異常検出処理（図８）において、スイッチ回路６７，７１の開閉切替時に出力安定を待つための待機時間を設けたため、センサ起電力を安定した状態で検出することができ、異常検出の精度を高めることができる。なお、待機処理では、所定時間だけ待機することに代えて、センサ起電力の時間当たりの変化量（変化率）が所定以下となるまで待機するようにしてもよい。

ところで、センサ出力補正値の算出に際しては、センサ素子１０において交流信号の印加時にガス拡散の交流インピーダンス成分が現れるガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間で、回路切替信号ＳＧ２を一時的にロウとする（スイッチ回路７１を閉鎖する）ことが望ましい。すなわち、スイッチ回路７１を閉じて電流計測抵抗６１の両端電位差をゼロとする期間（印加電圧設定回路による設定電圧の調整期間に相当）を、センサ素子１０のガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間とする。換言すると、センサ素子１０の電極・ジルコニア周波数に相当する周期時間で、スイッチ回路７１を一時的に閉鎖するとよい。なお、センサ素子１０のガス拡散周波数、及び電極・ジルコニア周波数については図９の複素インピーダンスプロット図に示されている。

より具体的には、図１０に示すように、通常測定の状態から電流ゼロ化（起電力測定）の状態に一時的な切替が行われ、その際、電流ゼロ化の時間Ｔｚがセンサ素子１０のガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間となっている。具体的には、ガス拡散周波数域の最大周波数（図９のｆ１）は例えば１０Ｈｚであり、Ｔｚは１００ｍｓｅｃ以下に定められている。なお、通常測定は、センサセル３５への電圧印加によりＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流が測定される状態であり、電流ゼロ化（起電力測定）は、スイッチ回路７１を閉鎖してセンサセル電流を０にした状態である。この場合、センサセル電流を０にすることで、セル端子間電圧が通常の印加電圧（図では０．４Ｖ）からセンサセル起電力に相応する電圧値に変化している。

上記構成によれば、スイッチ回路７１を一時的に閉鎖する際において、交流信号に対するガス拡散抵抗成分の応答遅れに起因するセンサセル電流の誤差（ＮＯｘ濃度に相応する真値からのずれ）が生じるといった不都合を抑制できる。つまり、スイッチ回路７１が一時的に閉鎖され、その後開放状態（通常の濃度検出状態）に復帰する直後において、検出濃度に誤差が生じることを抑制できる。これにより、センサセル電流の検出精度が低下することを抑制でき、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を高めることができる。また、図６の算出処理においては、回路切替信号ＳＧ２をロウ→ハイに復帰させた後の出力安定待ち時間（ステップＳ１７）を短くでき、通常の濃度検出状態にいち早く復帰できる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態について、上述した第１の実施形態との相違点を中心に説明する。本実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）において電流計測抵抗の両端電位差をゼロとした状態（便宜上、「第１状態」という）と、電流計測抵抗の両端電位差をゼロ以外の所定値とした状態（便宜上、「第２状態」という）とでそれぞれＩｓ検出回路部４５（又はＩｍ検出回路部４６）の出力を取得し、それら各状態での出力に基づいて電流補正値としてゲイン補正値を算出する。

本実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５を図１１のように構成する。図１１は、図４の回路構成の一部を変更したものであり、図４と共通の構成については同一の符号を付している。図４との相違点として、図１１のＩｓ検出回路部４５では、差動増幅回路６２の−入力端子側に「電圧生成部」としての電圧出力回路９２を設けており、電流補正値の算出時において、電圧出力回路９２から出力される電圧を差動増幅回路６２に入力させ、それにより電流計測抵抗６１の両端電位差を所定値（≠ゼロ）とすることとしている。

詳細には、差動増幅回路６２の−入力端子には、帰還入力経路Ｌ１が接続されているのに加え、スイッチ回路９１を介して電圧出力回路９２が接続されている。電圧出力回路９２は、定電圧Ｖｃｃを２つの抵抗にて分圧する抵抗分圧回路により構成されており、その生成電圧はＶＸ２である。また、帰還入力経路Ｌ１にはスイッチ回路９３が設けられている。

図１１で追加したスイッチ回路９１，９３は、回路切替信号ＳＧ２がロウ信号である場合（すなわち、帰還入力経路Ｌ１のスイッチ回路６７が開放され、かつ帰還入力経路Ｌ２のスイッチ回路７１が閉鎖されている場合）において、マイコン４１から入力されるハイ／ロウ２値の入力電圧切替信号ＳＧ５に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっている。入力電圧切替信号ＳＧ５は、そのまま一方のスイッチ回路９３に入力されるとともに、反転回路９４を介して他方のスイッチ回路９１に入力される。

本実施形態では、ＳＧ５＝ハイの場合に、スイッチ回路９３が閉鎖、スイッチ回路９１が開放となり、ＳＧ５＝ロウの場合に、スイッチ回路９３が開放、スイッチ回路９１が閉鎖となる。要するに、スイッチ回路９１，９３は開閉時期が逆となる態様で開閉される構成となっている。

ここで、ＳＧ２＝ロウ（スイッチ回路６７が開放、かつスイッチ回路７１が閉鎖の状態）であることを前提に、ＳＧ５＝ハイの場合の動作とＳＧ５＝ロウの場合の動作とを説明する。ＳＧ５＝ハイの場合が「第１状態」に相当し、ＳＧ５＝ロウの場合が「第２状態」に相当する。

ＳＧ５＝ハイの場合、差動増幅回路６２の−入力端子と電圧出力回路９２とが遮断される。かかる場合には、図４でＳＧ２＝ロウの場合の動作として説明したとおりの回路動作が生じることとなる。すなわち、差動増幅回路６２は、電流計測抵抗６１の反センサ側端子（Ｂ２点）の電圧を、同電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）と同じ電圧に調整する。これにより、電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロになり、同電流計測抵抗６１に電流が流れない状態となる（電流＝０ｎＡ）。したがって、その時の差動増幅回路６６の出力ＶＳ１は、ＮＯｘ濃度＝０〔ｐｐｍ〕の検出状態での回路出力誤差に相当するものとなる（オフセット誤差と同じ）。

また、ＳＧ５＝ロウの場合、差動増幅回路６２の−入力端子と電圧出力回路９２とが導通される。かかる場合には、差動増幅回路６２は、電流計測抵抗６１の反センサ側端子（Ｂ２点）の電圧を、同電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）に対して、電圧出力回路９２の生成電圧ＶＸ２に相当する電圧だけ低い電圧に調整する。これにより、電流計測抵抗６１の反センサ側端子（Ｂ２点）の電圧は、同電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）に対して所定の電位差（＝ＶＸ２相当の電圧）を生じさせる電圧とされる。このとき、電流計測抵抗６１の両端電位差は電圧ＶＸ２に応じた想定値であり、この状態はあらかじめ定めたＮＯｘ濃度（α〔ｐｐｍ〕）の検出状態に相当する。したがって、その時の差動増幅回路６６の出力ＶＳ１は、ＮＯｘ濃度＝α〔ｐｐｍ〕の検出状態での回路出力誤差に相当するものとなる。

ＮＯｘ濃度＝０〔ｐｐｍ〕相当の状態である第１状態で出力ＶＳ１を取得するとともに、ＮＯｘ濃度＝α〔ｐｐｍ〕相当の状態である第２状態でも出力ＶＳ１を取得し、これら各出力を用いることにより、ゲイン誤差を求めることができる。

次に、マイコン４１により実行されるセンサ出力補正値の算出処理について説明する。図１２は、本実施形態におけるセンサ出力補正値の算出処理を示すフローチャートであり、本処理によれば、センサ出力補正値としてゲイン補正値が算出される。なお、図１２に示す処理は、マイコン４１により所定の時間周期で繰り返し実行される。ここでは、Ｉｓ検出回路部４５の出力値（ＶＳ１）におけるゲイン補正値を算出する手順を説明する。

図１２において、ステップＳ４１では、今現在、ゲイン補正値の算出タイミングであるか否かを判定する。本実施形態では補正値算出周期を１０秒としており、１０秒が経過する度にステップＳ４１が肯定される。ゲイン補正値の算出タイミングであれば、ステップＳ４２に進み、センサセル３５が所定の活性温度（例えば７５０℃）まで昇温されているか否かを判定する。具体的には、エンジン始動時からの経過時間やヒータ投入電力、又はセンサセル３５におけるインピーダンス検出値などに基づいて、センサセル３５の昇温状態が判定される。

センサセル３５が所定の活性温度まで昇温されていればステップＳ４３に進み、Ｉｓ検出回路部４５に対して出力される回路切替信号ＳＧ２をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２への帰還入力経路Ｌ１，Ｌ２の導通切替（ここではＬ１→Ｌ２への切替）が行われ、それに伴い、電流計測抵抗６１に流れる電流が意図的に０ｎＡにされる。なおこのとき、入力電圧切替信号ＳＧ５はハイ信号のまま保持されており、これが、上述した「第１状態」である。続くステップＳ４４では、回路切替信号ＳＧ２のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ４５では、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１を読み込む。なお、ステップＳ４５で読み込んだ出力ＶＳ１はオフセット誤差に相当するものであり、そのＶＳ１値によりオフセット補正値Ｆｏｆｆが算出されてもよい（図６のステップＳ１５と同様）。

その後、ステップＳ４６では、入力電圧切替信号ＳＧ５をハイからロウに切り替える。これにより、Ｉｓ検出回路部４５において差動増幅回路６２の−入力端子と電圧出力回路９２とが導通され、上述した「第２状態」となる。続くステップＳ４７では、入力電圧切替信号ＳＧ５のハイ→ロウの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、ステップＳ４８では、差動増幅回路６６の出力ＶＳ１を再び読み込む。

その後、ステップＳ４９では、ステップＳ４５で読み込んだＶＳ１値（すなわち、第１状態で読み込んだＶＳ１値）と、ステップＳ４８で読み込んだＶＳ１値（すなわち、第２状態で読み込んだＶＳ１値）とによりゲイン補正値Ｆｇａｉｎを算出し、そのゲイン補正値Ｆｇａｉｎをバックアップ用デバイス（例えば、ＥＥＰＲＯＭやバックアップＲＡＭ）に記憶する。言い加えると、ゲイン補正値Ｆｇａｉｎは、学習値としてバックアップ用デバイスに記憶されるとともに適宜更新されるものとなっている。

ここで、上記２つのセンサ出力ＶＳ１は、各々異なるＮＯｘ濃度の検出状態で計測された回路出力であり、それら２値によれば、ＮＯｘ濃度に対するセンサ出力の感度（ゲイン）を算出することができる。このとき、第１状態での想定ＮＯｘ濃度は０〔ｐｐｍ〕、第２状態での想定ＮＯｘ濃度はα〔ｐｐｍ〕である。そして、第１状態でのセンサ出力ＶＳ１の電流換算値がＩｓ１、第２状態でのセンサ出力ＶＳ１の電流換算値がＩｓ２であるとすると、ゲイン補正値Ｆｇａｉｎは以下のように算出される。
Ｆｇａｉｎ＝（Ｉｓ２−Ｉｓ１）／（α−０）
＝（Ｉｓ２−Ｉｓ１）／α
その後、ステップＳ５０，Ｓ５１では、回路切替信号ＳＧ２をロウからハイに切り替えるとともに、入力電圧切替信号ＳＧ５をロウからハイに切り替える。これにより、差動増幅回路６２への帰還入力経路がＬ１に戻されるとともに、差動増幅回路６２の−入力端子と電圧出力回路９２とが遮断され、それに伴いＩｓ検出回路部４５が通常のＮＯｘ濃度検出状態に戻される。

続くステップＳ５２では、回路切替信号ＳＧ２のロウ→ハイ、入力電圧切替信号ＳＧ５のロウ→ハイの切替後における出力安定化を待つための待機処理を実行する。そして、待機処理により所定時間待機した後、通常のＮＯｘ濃度検出が再開される（ステップＳ５３）。

上記のように算出されたゲイン補正値Ｆｇａｉｎは、ＮＯｘ濃度検出時において、逐次計測されたセンサセル電流Ｉｓ（ＶＳ１の電流換算値）の補正に適宜用いられる。すなわち、ＮＯｘ濃度検出時に計測されたセンサセル電流Ｉｓからゲイン補正値Ｆｇａｉｎが減算されて補正後センサセル電流が算出され（補正後センサセル電流＝Ｉｓ−Ｆｇａｉｎ）、その補正後センサセル電流に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

実際には、Ｉｓ検出回路部４５だけでなくＩｍ検出回路部４６についても同様にゲイン補正値の算出が行われ、それら２つの検出回路部４５，４６におけるゲイン補正値を両方用いてＮＯｘ濃度の算出が行われる。この場合、センサセル電流Ｉｓ（計測値）からセンサセル用のゲイン補正値が減算されて補正後センサセル電流が算出されるとともに、モニタセル電流Ｉｍ（計測値）からモニタセル用のゲイン補正値が減算されて補正後モニタセル電流が算出され、それら補正後センサセル電流と補正後モニタセル電流との差（＝補正後センサセル電流−補正後モニタセル電流）に基づいてＮＯｘ濃度が算出される。

ここで、図１３に示すように、ＮＯｘセンサ回路４０では、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ、（Ｉｓ−Ｉｍ）についてそれぞれゲイン誤差が生じる。図中、「センサ出力」はセンサ素子１０にて実際に生じた電流値であり、「回路検出値」は、実際のセンサ出力に対してＮＯｘセンサ回路４０（Ｉｓ検出回路部４５、Ｉｍ検出回路部４６）で計測された計測値である。

かかる場合において、センサ出力に対するゲイン誤差をゲイン補正値として求め、このゲイン補正値を用いてセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍをそれぞれ補正することにより、回路検出値のゲイン誤差に起因するＮＯｘ濃度の算出精度低下を抑制できる。

以上第２の実施形態によれば、以下の優れた効果を奏する。

ＮＯｘ濃度＝０〔ｐｐｍ〕相当の状態である第１状態と、ＮＯｘ濃度＝α〔ｐｐｍ〕相当の状態である第２状態とでそれぞれ出力ＶＳ１を取得し、これら各出力に基づいてゲイン補正値Ｆｇａｉｎを算出する構成とした。これにより、ＮＯｘセンサ回路４０でのゲイン誤差に相当するゲイン補正値Ｆｇａｉｎを好適に求めることができる。また、第１の実施形態と同様、素子電流（センサセル電流、モニタセル電流）が流れる経路上にスイッチ回路が設けられていないため、そのスイッチ回路によるリーク電流が原因で素子電流計測値に誤差が生じるといった不都合を回避できる。

上記のようにゲイン補正値Ｆｇａｉｎを好適に算出でき、かつスイッチ回路のリーク電流を原因とする悪影響を排除できることから、ひいてはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。また、ＮＯｘセンサ回路４０において温度特性や経時変化を原因として出力誤差が生じ、さらに同出力誤差の変化が生じる場合にも、その出力特性を好適に解消しつつ適正にＮＯｘ濃度を検出できる。

電流計測抵抗６１に所定の両端電位差を生じさせるための構成として、差動増幅回路６２の−入力端子側に電圧出力回路９２を設けた。これにより、電圧出力回路９２の出力電圧に合わせて電流計測抵抗６１の両端電位差を生じさせることができ、その両端電位差を任意に設定することが可能となる。

また、ＮＯｘ濃度を検出する場合、基準濃度となりえるのは大気状態でのＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍのみである。この場合、ＮＯｘ濃度＝０ｐｐｍでの電流計測値のみではゲイン補正値を算出することはできないが、上記のように第１状態及び第２状態に移行させることで、ＮＯｘセンサにおけるゲイン補正値が可能となる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態として、センサ素子構造の変形例を説明する。本実施形態のセンサ素子は、上述したセンサ素子１０と同様、３セル構造を有し、第１セルとしての酸素ポンプセルと、第２セルとしてのセンサセルと、第３セルとしての酸素モニタセルとを有する。これら各セルに接続されるセンサ制御回路としては、上述したＮＯｘセンサ回路４０をそのまま適用することができ、ここではセンサ制御回路の説明については割愛する。

本実施形態のセンサ素子構造を、図１４及び図１５を用いて以下に説明する。図１４は、センサ素子１５０の長手方向の縦断面構造を示す断面図であり、図１５（ａ）は図１４のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は図１４のＢ−Ｂ線断面図である。なお、図１４において、図の左右方向が素子長手方向であり、図の上下方向が素子積層方向である。また、図１５（ａ）の左右方向が素子幅方向である。

図１４に示すように、本実施形態のセンサ素子１５０は、スペーサ１５３を介して積層（対向配置）されるシート状の第１固体電解質体１５１及び第２固体電解質体１５２を有しており、その間には、被検出ガス（エンジンの排気等）を導入する被検出ガス室１５４が形成されている。固体電解質体１５１，１５２は酸素イオン伝導性材料よりなり、例えばジルコニアやセリア等を主成分として構成されている。

第１固体電解質体１５１における被検出ガス室１５４と反対側には、スペーサ１５５を介して被覆板１５６が積層されており、第１固体電解質体１５１と被覆板１５６との間に第１基準ガス空間１５７が形成されている。また、第２固体電解質体１５２における被検出ガス室１５４と反対側には、スペーサ１５８を介してセラミックヒータ１５９が積層されており、第２固体電解質体１５２とセラミックヒータ１５９との間に第２基準ガス空間１６０が形成されている。スペーサ１５３，１５５，１５８はそれぞれアルミナを主成分として構成されている。

センサ素子１５０は、被検出ガス室１５４に導入された被検出ガス中の特定ガス濃度を検出するセンサセル１６１と、被検出ガス室１５４における酸素濃度を調整する酸素ポンプセル１６２と、被検出ガス室１５４における酸素濃度を検出する酸素モニタセル１６３とを有する。

センサセル１６１は、第１固体電解質体１５１と、この第１固体電解質体１５１を挟んで被検出ガス室１５４側及びその反対側（第１基準ガス空間１５７側）にそれぞれ設けられた検出電極１６１ａ及び基準電極１６１ｂとを有する。また、酸素ポンプセル１６２は、第２固体電解質体１５２と、この第２固体電解質体１５２を挟んで被検出ガス室１５４側及びその反対側（第２基準ガス空間１６０側）にそれぞれ設けられた内部ポンプ電極１６２ａ及び外部ポンプ電極１６２ｂとを有する。酸素モニタセル１６３は、第１固体電解質体１５１と、この第１固体電解質体１５１を挟んで被検出ガス室１５４側及びその反対側（第１基準ガス空間１５７側）にそれぞれ設けられた内部モニタ電極１６３ａ及び外部モニタ電極１６３ｂとを有する。なお、センサセル１６１の基準電極１６１ｂと酸素モニタセル１６３の外部モニタ電極１６３ｂとは一体化された共通電極により構成されている。

上述した各セルの電極は、いずれも電極内部へのガス拡散、及び固体電解質体１５１，１５２との間での反応を促進することができる多孔質電極からなり、例えばＰｔを主成分とした金属成分とジルコニアを主成分とするセラミック成分とを含有するサーメット材料からなる。金属成分とセラミック成分との総重量に対するセラミック成分の含有量は、例えば１０〜２０重量％である。

また、センサセル１６１の検出電極１６１ａは、窒素酸化物（ＮＯｘ）に対して活性なＰｔ−Ｒｈ電極よりなり、その金属成分の総重量に対するＲｈの含有量は例えば１０〜５０重量％である。酸素ポンプセル１６２の内部ポンプ電極１６２ａ、及び酸素モニタセル１６３の内部モニタ電極１６３ａは、窒素酸化物に対して不活性なＰｔ−Ａｕ電極よりなり、その金属成分の総重量に対するＡｕの含有量は例えば１〜１０重量％である。

ここで、被検出ガス室１５４内における各電極の配置について図１４及び図１５により説明する。検出電極１６１ａと内部モニタ電極１６３ａとは、被検出ガス室１５４内においてセンサ素子１５０の長手方向に所定の間隔を隔てて配置されている。また、内部ポンプ電極１６２ａは、平面視において検出電極１６１ａ及び内部モニタ電極１６３ａを四方（全周）から囲むように環状に形成されている。言い加えると、検出電極１６１ａ及び内部モニタ電極１６３ａは、内部ポンプ電極１６２ａに囲まれてその内側端面よりも内側に配設されている。

また、図１５に示すように、第１固体電解質体１５１及び第２固体電解質体１５２の間には、被検出ガス室１５４に所定の拡散抵抗のもとに被検出ガスを導入する拡散抵抗部１６５が形成されている。拡散抵抗部１６５は、アルミナ等のセラミックからなる多孔質体によって構成されている。拡散抵抗部１６５を多孔質体によって構成することで、拡散抵抗の調整が容易となっている。

拡散抵抗部１６５は、被検出ガス室１５４を素子幅方向の二方から挟んで、各固体電解質体１５１，１５２の積層方向（図１５の上下方向）に直交する方向に形成されている。すなわち、２つの拡散抵抗部１６５はそれぞれ、一側面が被検出ガス室１５４に露出し、他側面が素子外部に露出するようにして各固体電解質体１５１，１５２の間に設けられている。また、拡散抵抗部１６５は、素子積層方向に内部ポンプ電極１６２ａに隣接して配設されている。つまり、拡散抵抗部１６５は、内部ポンプ電極１６２ａの一部と素子積層方向に重なるようにして、内部ポンプ電極１６２ａと第１固体電解質体１５１との間に設けられている。なお、拡散抵抗部１６５の外側端部（外部露出面）と検出電極１６１ａとの間の最短の長さ寸法（距離）は約１〜３ｍｍである。これは、拡散抵抗部が素子積層方向に延びる向きで設けられる構成に比べて短い長さ寸法であり、応答性の向上と検出精度の確保とが可能となる。

上記構成において、被検出ガス室１５４は、平面視において素子長手方向では２つのスペーサ１５３により挟まれ、素子短手方向（素子長手方向に直交する方向）では内部ポンプ電極１６２ａ及び拡散抵抗部１６５により挟まれることで区画形成されている。

図１４に示すように、セラミックヒータ１５９は、絶縁体よりなるヒータ基板１６７と、ヒータ基板１６７上に実装された発熱体１６８と、発熱体１６８を覆う絶縁層１６９とを備える。セラミックヒータ１５９は、アルミナよりなるシートに、通電発熱する発熱体１６８及びこれに通電するためのリード部（図示略）をパターニング形成するとともに、発熱体１６８に絶縁層１６９を積層配置して構成されている。発熱体１６８には、例えば、Ｐｔとアルミナ等のセラミックとからなるサーメット材料が用いられる。セラミックヒータ１５９では、外部からの給電により発熱体１６８が発熱することで、センサセル１６１、酸素ポンプセル１６２及び酸素モニタセル１６３を活性温度まで加熱する。

次に、センサ素子１５０の動作原理を説明する。まず、被検出ガス（排気）は、所定の拡散抵抗のもとに拡散抵抗部１６５を通過して被検出ガス室１５４に導入される。導入される被検出ガス量は、拡散抵抗部１６５の拡散抵抗により決定される。被検出ガスが酸素ポンプセル１６２の内部ポンプ電極１６２ａの表面を通過する際に、被検出ガス中における酸素濃度が酸素ポンプセル１６２によって調整される。すなわち、酸素ポンプセル１６２は、一対の電極間に電圧が印加されることにより被検出ガス室１５４における酸素の出し入れを行い、被検出ガス室１５４における酸素濃度を調整する。

詳しくは、酸素ポンプセル１６２の一対の電極１６２ａ，１６２ｂに、外部ポンプ電極１６２ｂが正極となるように電圧が印加されると、内部ポンプ電極１６２ａ上で被検出ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第２基準ガス空間１６０側の外部ポンプ電極１６２ｂに排出される。逆に、内部ポンプ電極１６２ａが正極となるように電圧を印加すると、外部ポンプ電極１６２ｂ上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により被検出ガス室１５４側の内部ポンプ電極１６２ａに排出される。特に、拡散抵抗部１６５を通過する際には、被検出ガスが内部ポンプ電極１６２ａと接触しやすく、酸素濃度の調整が行われやすいものとなっている。

次に、内部ポンプ電極１６２ａを通過した被検出ガスは、センサセル１６１の検出電極１６１ａ及び酸素モニタセル１６３の内部モニタ電極１６３ａに到達する。このとき、酸素モニタセル１６３の一対の電極間に、第１基準ガス空間１５７側の外部モニタ電極１６３ｂが正極となるように所定の電圧（例えば、０．４Ｖ）が印加されると、被検出ガス室１５４側の内部モニタ電極１６３ａ上で被検出ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により外部モニタ電極１６３ｂ側に排出され、酸素イオン電流が流れる。

ここで、内部モニタ電極１６３ａは、窒素酸化物の分解に不活性なＰｔ−Ａｕからなるサーメット電極であるため、酸素モニタセル１６３に流れる酸素イオン電流は被検出ガス中の酸素量に依存し、窒素酸化物量には依存しない。そのため、酸素モニタセル１６３に流れた電流値を検出することにより被検出ガス室１５４の酸素濃度が検出される。

また、被検出ガス室１５４における酸素濃度が所望の一定値になるように、都度の酸素モニタセル１６３の電流値に基づいて酸素ポンプセル１６２がフィードバック制御されるようになっている。すなわち、酸素モニタセル１６３の電流値が所望の一定の値（例えば、０．２μＡ）になるように、酸素モニタセル１６３の電流信号により酸素ポンプセル１６２への印加電圧が制御されることで、被検出ガス室１５４の酸素濃度が一定に制御される。

また、センサセル１６１には、第１基準ガス空間１５７側の基準電極１６１ｂが正極となるように所定の電圧（例えば、０．４Ｖ）が印加される。上記のごとく検出電極１６１ａは、窒素酸化物の分解に活性なＰｔ−Ｒｈのサーメット電極であるため、検出電極１６１ａ上で被検出ガス室１５４の被検出ガス中の酸素及び窒素酸化物が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により第１基準ガス空間１５７側の基準電極１６１ｂに排出されて、検出電極１６１ａと基準電極１６１ｂとの間に電流が流れる。この電流は、被検出ガス中のＮＯｘ及び酸素の濃度に起因する電流である。一方、上記のとおり酸素モニタセル１６３に流れる電流は、被検出ガス室１５４中の酸素濃度に起因する電流である。そこで、センサセル１６１に流れる電流値と酸素モニタセル１６３に流れる電流値との差によって、ＮＯｘ濃度を検出することができる。

次に、上記構成のセンサ素子１５０による作用効果を説明する。

拡散抵抗部１６５は、被検出ガス室１５４から、第１固体電解質体１５１と第２固体電解質体１５２との積層方向（素子積層方向）に直交する方向に形成されている。特に、拡散抵抗部１６５が、第１固体電解質体１５１の表面に沿って素子長手方向に直交する幅方向に形成されている。これにより、拡散抵抗部１６５の外側端部（すなわち外側露出面）である被検出ガスの導入口から検出電極１６１ａまでの距離が短くなり、センサ素子１５０の応答性を向上させることができる。

特に、このセンサ素子１５０では、センサ素子１５０において対向する２つの側面にそれぞれ露出させて拡散抵抗部１６５を設けるとともに、その拡散抵抗部１６５により挟んで被検出ガス室１５４を形成し、その被検出ガス室１５４内に検出電極１６１ａを配設した。この構成も、拡散抵抗部１６５の外側端部（すなわち外側露出面）である被検出ガスの導入口から検出電極１６１ａまでの距離を短くすることに寄与できるものである。

被検出ガス室１５４において、内部ポンプ電極１６２ａの外側端部（すなわち外側露出面）よりも内側に検出電極１６１ａが配設されている。また特に、検出電極１６１ａが、内部ポンプ電極１６２ａの内側端部よりも内側に配設されている。すなわち、被検出ガス室１５４において、検出電極１６１ａを挟んでその外側（拡散抵抗部１６５が設けられている側）に内部ポンプ電極１６２ａが配設されている。これにより、被検出ガスが検出電極１６１ａに到達する前に、酸素ポンプセル１６２によって被検出ガス中の酸素濃度が調整される。したがって、酸素ポンプセル１６２による酸素濃度調整後の被検出ガスを検出電極１６１ａに供給でき、特定ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

拡散抵抗部１６５と内部ポンプ電極１６２ａとは、素子積層方向に重ねて（すなわち互いに積層方向に隣接して）配設されている。そのため、被検出ガスは、拡散抵抗部１６５を通過して被検出ガス室１５４に導入されるまでの間に、十分に内部ポンプ電極１６２ａに接触することとなる。それ故、この間に、酸素ポンプセル１６２によって酸素を十分にポンピングして、被検出ガス中の酸素濃度を十分に調整することができる。

被検出ガス室１５４において、内部ポンプ電極１６２ａの外側端部（すなわち外側露出面）よりも内側に内部モニタ電極１６３ａが配設されている。また特に、内部モニタ電極１６３ａが、内部ポンプ電極１６２ａの内側端部よりも内側に配設されている。すなわち、被検出ガス室１５４において、内部モニタ電極１６３ａを挟んでその外側（拡散抵抗部１６５が設けられている側）に内部ポンプ電極１６２ａが配設されている。これにより、酸素ポンプセル１６２によって酸素濃度を調整した後の被検出ガスを内部モニタ電極１６３ａに供給でき、その酸素濃度を酸素モニタセル１６３によって正確に検出することができる。

拡散抵抗部１６５の外側端部と検出電極１６１ａとの間の距離を小さくして応答性を向上させようとすると、内部ポンプ電極１６２ａの幅（素子幅方向の幅寸法）が小さくなり、酸素ポンピング能力を十分に確保することが困難となるおそれがある。この点、酸素モニタセル１６３を設けて被検出ガス室１５４における酸素濃度をモニタすることにより、被検出ガス室１５４における酸素濃度の変動を抑制したり、検出値を補正したりして、特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の検出精度を担保することができる。

上述したセンサ素子１５０の構成を以下のように一部変更することも可能である。

・拡散抵抗部１６５を多孔質体により構成することに代えて、微小隙間を有するスリットにより構成する。スリットは、所望の拡散抵抗が得られるように素子積層方向の厚みを適宜調整したものであり、この厚みは例えば５〜５０μｍであるとよい。

・被検出ガス室１５４内において、検出電極１６１ａと内部ポンプ電極１６２ａとの間に被検出ガスの拡散抵抗となる内部拡散抵抗部を設ける。内部拡散抵抗部は、アルミナ等のセラミックからなる多孔質体によって構成され、内部ポンプ電極１６２ａの内側端面よりも内側に、検出電極１６１ａ及び内部モニタ電極１６３ａを覆うように形成される。

・被検出ガス室１５４内の全体を拡散抵抗部１６５とする。この場合、第２固体電解質体１５２における被検出ガス室１５４側の表面全体に内部ポンプ電極１６２ａを形成し、この内部ポンプ電極１６２ａと、検出電極１６１ａ及び内部モニタ電極１６３ａとを覆うように、被検出ガス室１５４内の全体に拡散抵抗部１６５を形成する。

・被検出ガス室１５４を、素子積層方向に複数に分割して構成する。すなわち、被検出ガス室１５４として、素子積層方向に並び、かつ絞り部を介して連通される２つの被検出ガス室を設ける。この場合、一方の被検出ガス室に酸素ポンプセル１６２の内部ポンプ電極１６２ａが設けられ、他方の被検出ガス室にはセンサセル１６１の検出電極１６１ａ及び酸素モニタセル１６３の内部モニタ電極１６３ａが設けられる。２つの被検出ガス室のうち、酸素ポンプセル１６２が設けられる方を大きくし、同ガス室に面する第２固体電解質体の全面に内部ポンプ電極１６２ａが形成されるとよい。

本構成では、被検出ガスは、拡散抵抗部１６５から一方の被検出ガス室に導入され、ここで酸素ポンプセル１６２によって酸素濃度が調整される。その後、絞り部を介して被検出ガスが他方の被検出ガス室に移動し、ここでセンサセル１６１によって特定ガス濃度が検出されるとともに、酸素モニタセル１６３によって酸素濃度が検出される。

・酸素モニタセル１６３を備えていない構成であってもよい。本構成では、酸素ポンプセル１６２によって、被検出ガス室１５４における酸素を十分に排出し、センサセル１６１による特定ガス濃度（ＮＯｘ濃度）の検出に影響を与えない程度に酸素濃度を十分に低減させるとよい。

・センサ素子１５０の長手方向の側面部に拡散抵抗部１６５の一部を露出させる構成に代えて、センサ素子１５０の先端部に拡散抵抗部１６５の一部を露出させる構成としてもよい。すなわち、被検出ガス室１５４から、センサ素子１５０の長手方向の先端側に延びるようにして拡散抵抗部１６５を形成する。この場合、センサセル１６１の検出電極１６１ａと、酸素モニタセル１６３の内部モニタ電極１６３ａとを素子幅方向に並列に配置するとよい。

・内部ポンプ電極１６２ａと拡散抵抗部１６５とを素子積層方向に重ねて配置した構成に代えて、内部ポンプ電極１６２ａと拡散抵抗部１６５とを素子幅方向に内外に並べて配置してもよい。この場合、拡散抵抗部１６５の内側に内部ポンプ電極１６２ａが配置されるとよい。

（他の実施形態）
本発明は上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されてもよい。

・上記各実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５において「印加電圧設定回路」を差動増幅回路６２により構成したが（図４参照）、これを変更し、「印加電圧設定回路」を非反転増幅回路により構成することも可能である。図１６に示す回路構成について図４との相違点を中心に説明する。共通の構成については同一の符号を付している。なお、図１６では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路を採用することに伴い、その電圧入力に関する構成を変更している。

図１６では、印加電圧設定回路として非反転増幅回路１０１が設けられている。非反転増幅回路１０１の−入力端子は電流計測抵抗６１のセンサ側端子（Ｂ１点）に接続されており、Ｂ１点の電圧は非反転増幅回路１０１の＋入力端子の電圧に保持される。非反転増幅回路１０１の＋入力端子には、スイッチ回路１０２を介して抵抗分圧回路６３の分圧点が接続されるとともに、スイッチ回路７１を介して電圧フォロア６５の出力端子が接続されている。

スイッチ回路１０２，７１は、マイコン４１から入力される回路切替信号ＳＧ２に基づいてＯＮ／ＯＦＦ（開閉）される構成となっており、回路切替信号ＳＧ２がそのまま一方のスイッチ回路１０２に入力されるとともに、反転回路１０３を介して他方のスイッチ回路７１に入力される。本実施形態では、ＳＧ２＝ハイの場合に、スイッチ回路１０２が閉鎖、スイッチ回路７１が開放となり、抵抗分圧回路６３の分圧電圧ＶＸ３が非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。また、ＳＧ２＝ロウの場合に、スイッチ回路１０２が開放、スイッチ回路７１が閉鎖となり、電圧フォロア６５の出力が非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。要するに、スイッチ回路１０２，７１は開閉時期が逆となる態様で開閉し、それにより非反転増幅回路１０１の入力電圧が変更される構成となっている。

本構成において、通常時にＮＯｘ濃度を検出する場合には、回路切替信号ＳＧ２がハイ信号とされ、センサセル３５の負側端子ＳＳ−に電圧ＶＸ３が印加される。これにより、排気中のＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓが計測される。これに対し、オフセット補正値を算出する場合には、回路切替信号ＳＧ２がロウ信号とされ、電圧フォロア６５の出力ＶＳ２が帰還入力経路Ｌ２を介して非反転増幅回路１０１の＋入力端子に入力される。これにより、電流計測抵抗６１の両端電位差がゼロになり、電流計測抵抗６１に電流が流れない状態となる（電流＝０ｎＡ）。したがって、その時のセンサ出力ＶＳ１によりオフセット補正値を算出できる。また、センサセル端子電圧ＶＳ２によりセンサ起電力の検出も可能となる。

・Ｉｓ検出回路（又はＩｍ検出回路）において、印加電圧設定回路である差動増幅回路６２の＋入力端子に、同入力端子への電圧入力をなますためのなまし回路を設ける構成としてもよい。具体的には図１７に示すように、差動増幅回路６２の＋入力端子にコンデンサ１１１を接続する。これにより、センサ出力補正値の算出時において、スイッチ回路７１の開閉に伴い生じる入力電圧の変化をなますことができる。

・上記第１の実施形態では、断線等の各種異常が発生している場合に、センサセル／モニタセル駆動回路部４４による電圧印加を停止することでセンサ保護を図る構成としたが、これを他に変更してもよい。具体的には、センサセル／モニタセル駆動回路部４４において、保護抵抗５４を、あらかじめ定めた上限電流（例えばエージング電流）で制限するべく大きな抵抗値（数１００ｋΩ〜１ＭΩ程度）のものとしたり、オペアンプ５２の電流出力を制限しておいたりする。これにより、例えば、センサセル３５の負側端子で電源ショートやグランドショート等の異常が発生しても、同セルに流れる最大電流が制限され、センサ素子の保護を図ることができる。この場合、セル印加電圧が、センサ特性を整えるための電気エージング電圧以下に抑えられる構成であるとよい。

・上記各実施形態では、Ｉｓ検出回路部４５において帰還入力経路Ｌ２に素子電流を流さない構成として、電流計測抵抗６１のセンサ側端子と差動増幅回路６２とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア６５を設ける構成としたが、この電圧フォロア６５に代えて非反転増幅回路を設ける構成としてもよい。つまりこの場合、非反転増幅回路と差動増幅回路６２との間の経路（帰還入力経路Ｌ２）にスイッチ回路７１が設けられることとなる。

・上記各実施形態では、図２で説明したようにセンサセル電流計測値ＶＳ１とモニタセル電流計測値ＶＭ１とをマイコン４１に入力し、同マイコン４１にて（Ｉｓ−Ｉｍ）値を算出する構成としたが、これを以下のように変更することも可能である。すなわち、例えば差動増幅回路により構成される［Ｉｓ−Ｉｍ］算出回路部を設け、その［Ｉｓ−Ｉｍ］算出回路部に、Ｉｓ検出回路部４５から出力されるセンサセル電流計測値ＶＳ１とＩｍ検出回路部４６から出力されるモニタセル電流計測値ＶＭ１とを各々入力させる。そして、同算出回路部において（Ｉｓ−Ｉｍ）値を算出し、その（Ｉｓ−Ｉｍ）値をマイコン４１に出力する。

・上記第２の実施形態では、ゲイン補正値Ｆｇａｉｎの算出に際し、ＮＯｘ濃度＝０〔ｐｐｍ〕相当の状態である第１状態と、ＮＯｘ濃度＝α〔ｐｐｍ〕相当の状態である第２状態とでそれぞれ出力ＶＳ１を取得し、それら２つの状態での各出力ＶＳ１によりゲイン補正値Ｆｇａｉｎを算出する構成としたが、これを以下のように変更してもよい。例えば、上記２つの状態に加え、ＮＯｘ濃度＝β〔ｐｐｍ〕相当の状態（β≠０，α）である第３状態で出力ＶＳ１を取得し、計３つの状態での各出力ＶＳ１によりゲイン補正値Ｆｇａｉｎを算出する構成としてもよい。

また、ＮＯｘ濃度＝０〔ｐｐｍ〕相当の状態を含まない２状態、ＮＯｘ濃度＝α，β〔ｐｐｍ〕相当の各状態でそれぞれ出力ＶＳ１を取得し、それら２つの状態での各出力ＶＳ１によりゲイン補正値Ｆｇａｉｎを算出する構成としてもよい。

・上記各実施形態では、素子電流を電圧に変換する電圧変換素子として電流計測抵抗（シャント抵抗）を用いたが、これを変更してもよい。例えば、コンデンサを用いて素子電流を電圧に変換する構成、又はコンデンサと抵抗との組み合わせ回路を用いて素子電流を電圧に変換する構成としてもよい。

・上記各実施形態では、センサ素子として、ポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる、いわゆる３セル構造を有するものを適用したが、これを変更しても良い。例えば、センサ素子として、ポンプセル及びセンサセルからなる、いわゆる２セル構造を有するものを適用する。なお、モニタセル（第３セル）を用いる場合に、そのモニタセルが起電力を出力する起電力セルであってもよい。

・検出対象の特定成分がＮＯｘ以外であってもよい。例えば、排気中のＨＣやＣＯを検出対象とするガスセンサであってもよい。この場合、ポンプセルにて排気中の余剰酸素を排出し、センサ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。その他、被検出ガス中のアンモニアの濃度を検出するものであってもよい。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ディーゼルエンジン以外にガソリンエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とするセンサ制御装置としても具体化できる。そのガスセンサは、排気以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

１０…センサ素子、１１…固体電解質体、１４…第１チャンバ（ガス室）、１６…第２チャンバ（ガス室）、２３…ヒータ、３１…ポンプセル（第１セル）、３２，３３…電極、３４…モニタセル（第３セル）、３５…センサセル（第２セル）、３６〜３８…電極、４０…ＮＯｘセンサ回路、４１…マイコン（出力取得手段、補正値算出手段、起電力検出手段、異常判定手段）、４４…センサセル／モニタセル駆動回路部、４５…Ｉｓ検出回路部（第２セル電流検出回路）、４６…Ｉｍ検出回路部（第３セル電流検出回路）、４８…センサセル／モニタセル保護回路部（電圧印加停止手段）、６１…電流計測抵抗（電圧変換素子）、６２…差動増幅回路（印加電圧設定回路）、６５…電圧フォロア、６６…差動増幅回路（出力回路）、７１…スイッチ回路（スイッチ手段）、７５…バイアス電流抵抗、９１…スイッチ回路、９２…電圧出力回路（電圧生成部）、１０１…非反転増幅回路（印加電圧設定回路）、１０２…スイッチ回路、１５０…センサ素子、１５１…第１固体電解質体、１５２…第２固体電解質体、１５４…被検出ガス室、１６１…センサセル（第２セル）、１６１ａ…測定電極、１６２…酸素ポンプセル（第１セル）、１６２ａ…内部ポンプ電極、１６３…酸素モニタセル（第３セル）、１６３ａ…内部モニタ電極、１６５…拡散抵抗部、Ｌ１…帰還入力経路（第１帰還経路）、Ｌ２…帰還入力経路（第２帰還経路）。

Claims (21)

1. 固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とを有するセンサ素子を備え、前記一対の電極間への電圧印加状態で被検出ガス中の特定成分の濃度に応じた素子電流を生じさせるガスセンサに接続されるものであり、
   前記センサ素子の一方の電極に接続され、前記素子電流を電圧に変換する電圧変換素子と、
   前記電圧変換素子による素子電流の電圧変換結果を素子電流計測値として出力する出力回路と、
   前記電圧変換素子の反センサ側端子に接続され、前記センサ素子に印加する印加電圧を設定する印加電圧設定回路と、
   を備え、前記印加電圧設定回路による電圧印加の状態で前記出力回路から出力される素子電流計測値により前記特定成分の濃度を算出するガスセンサ制御装置において、
   前記電圧変換素子のセンサ側端子と前記印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路において前記素子電流が流れない経路上に設けられ、当該電気経路を開閉するスイッチ手段と、
   前記スイッチ手段を閉じることで、前記印加電圧設定回路の設定電圧の調整により前記電圧変換素子の両端電位差をあらかじめ定めた規定値とし、その状態で前記出力回路の出力値を取得する出力取得手段と、
   前記出力取得手段により取得した前記出力回路の出力値により素子電流補正用の電流補正値を算出する補正値算出手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサ制御装置。
2. 前記出力取得手段は、前記スイッチ手段を閉じることで前記電圧変換素子の両端電位差をゼロとし、その電位差ゼロの状態で前記出力回路の出力値を取得する請求項１に記載のガスセンサ制御装置。
3. 前記補正値算出手段は、前記電圧変換素子の両端電位差をゼロにした状態で前記電流補正値としてオフセット補正値を算出する請求項２に記載のガスセンサ制御装置。
4. 前記出力取得手段は、前記センサ素子において交流信号の印加時にガス拡散の交流インピーダンス成分が現れるガス拡散周波数での１周期の時間よりも短い期間で、前記スイッチ手段を一時的に閉じて前記印加電圧設定回路の設定電圧を調整する請求項１乃至３のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
5. 前記出力回路の出力を前記印加電圧設定回路に帰還入力させる第１帰還経路と、前記電圧変換素子のセンサ側端子の電圧を前記印加電圧設定回路に帰還入力させる第２帰還経路とが設けられ、
   前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路に前記スイッチ手段が設けられ、
   通常の濃度検出時には、前記２つの帰還経路のうち第１帰還経路のみを導通状態としその第１帰還経路を介して帰還入力される前記出力回路の出力に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせる一方、
   前記補正値算出手段による補正値算出時には、前記２つの帰還経路のうち第２帰還経路のみを導通状態としその第２帰還経路を介して帰還入力される前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に応じて前記印加電圧設定回路にて電圧設定を行わせる請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
6. 前記電圧変換素子のセンサ側端子と前記印加電圧設定回路とを電気的に接続する電気経路に電圧フォロア又は非反転増幅回路が設けられ、その電圧フォロア又は非反転増幅回路と前記印加電圧設定回路との間の経路上に前記スイッチ手段が設けられている請求項１乃至５のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
7. 前記印加電圧設定回路は、負帰還部を有するオペアンプを備えて構成され、前記オペアンプの出力側であって前記負帰還部との接続点よりも反オペアンプ側に前記電圧変換素子が設けられている請求項１乃至６のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
8. 前記スイッチ手段を閉状態とした場合に、前記印加電圧設定回路の設定電圧を、前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる電圧とする手段を備える請求項１乃至７のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
9. 前記スイッチ手段を閉状態とした場合に、前記印加電圧設定回路の設定電圧を、前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して複数異なる電位差を生じさせる電圧にそれぞれ調整し、それら電圧調整した複数の状態での前記出力回路の出力値を取得する手段を備え、
   前記補正値算出手段は、前記複数の状態で取得した前記出力回路の出力値により前記電流補正値としてゲイン補正値を算出する請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
10. 前記スイッチ手段を閉状態とした場合に、前記印加電圧設定回路の設定電圧を、前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して電位差ゼロとなる電圧と、前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる電圧とにそれぞれ調整し、それら電圧調整した２状態での前記出力回路の出力値を取得する手段を備え、
    前記補正値算出手段は、前記２状態で取得した前記出力回路の出力値により前記電流補正値としてゲイン補正値を算出する請求項１乃至８のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
11. 前記電圧変換素子に所定の両端電位差を生じさせる場合にその両端電位差相当の電圧を前記印加電圧設定回路に入力させる電圧生成部を備え、
    前記スイッチ手段を閉状態とするのに合わせて、前記電圧生成部から前記両端電位差相当の電圧を前記印加電圧設定回路に入力させることで、前記電圧変換素子のセンサ側端子電圧に対して所定の電位差（≠ゼロ）を生じさせる請求項１乃至１０のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
12. 前記補正値算出手段は、前記センサ素子が活性状態にあることを条件として前記電流補正値を算出する請求項１乃至１１のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
13. 前記ガスセンサは、各々に固体電解質体と該固体電解質体に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有するセンサ素子を備え、ガス室内に導入した被検出ガス中の酸素量を前記第１セルで所定濃度レベルに調整するとともに前記第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分の濃度を検出するものであり、
    前記第２セルにて生じる第２セル電流を前記電圧変換素子により電圧に変換し、その電圧変換値に基づいて前記特定成分の濃度を算出する請求項１乃至１２のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
14. 前記ガスセンサは、酸素イオン伝導性を有する第１固体電解質体及び第２固体電解質体の間に形成され被検出ガスが導入される被検出ガス室と、該被検出ガス室に所定の拡散抵抗のもとに被検出ガスを導入する拡散抵抗部と、前記被検出ガス室に導入された被検出ガス中の特定ガス濃度を検出する前記第２セルとしてのセンサセルと、前記被検出ガス室における酸素濃度を調整する前記第１セルとしての酸素ポンプセルと、を有するセンサ素子を備え、
    前記センサセルは、前記第１固体電解質体と、前記被検出ガス室に面して前記第１固体電解質体に設けられた検出電極と、該検出電極と対をなすように前記第１固体電解質体に設けられた基準電極とを有し、
    前記酸素ポンプセルは、前記第２固体電解質体と、前記被検出ガス室に面して前記第２固体電解質体に設けられた内部ポンプ電極と、該内部ポンプ電極と対をなすように前記第２固体電解質体に設けられた外部ポンプ電極とを有し、
    前記拡散抵抗部は、前記被検出ガス室から、前記第１固体電解質体と前記第２固体電解質体との積層方向に直交する方向に形成されており、
    前記被検出ガス室において前記内部ポンプ電極の外側端部よりも内側に前記検出電極が配設されている請求項１３に記載のガスセンサ制御装置。
15. 前記センサ素子において、前記拡散抵抗部と前記内部ポンプ電極とは積層方向に重ねて設けられている請求項１４に記載のガスセンサ制御装置。
16. 前記センサ素子において、前記拡散抵抗部は素子長手方向に直交する方向に形成されている請求項１４又は１５に記載のガスセンサ制御装置。
17. 前記センサ素子において、前記検出電極は、前記内部ポンプ電極の内側端部よりも内側に配設されている請求項１４乃至１６のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
18. 前記センサ素子は、前記第１セルで酸素量が調整された後のガスから残留酸素濃度を検出する第３セルを備え、前記第２，第３セルの各々一方の電極を共通電極とし、その共通電極に対して共通の駆動回路部により電圧印加を行うガスセンサ制御装置であり、
    前記第２セルにて生じる第２セル電流を検出する第２セル電流検出回路と、前記第３セルにて生じる第３セル電流を検出する第３セル電流検出回路とを備え、それら各検出回路に前記スイッチ手段を設け、
    前記補正値算出手段は、前記第２セル電流検出回路及び前記第３セル電流検出回路において前記スイッチ手段を閉じた状態で各々取得される前記出力回路の出力値により第２セル電流補正用の電流補正値、第３セル電流補正用の電流補正値をそれぞれ算出する請求項１３乃至１７のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
19. 前記センサ素子は、前記特定成分の濃度に対する素子電流の感度が４ｎＡ／ｐｐｍ以下である請求項１乃至１８のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
20. 前記補正値算出手段により算出した素子電流補正用の電流補正値に基づいて、前記センサ素子又はセンサ回路の異常を判定する異常判定手段を備える請求項１乃至１９のいずれか一項に記載のガスセンサ制御装置。
21. 前記異常判定手段により異常発生している旨判定された場合に、前記センサ素子への電圧印加を停止する電圧印加停止手段を備える請求項２０に記載のガスセンサ制御装置。

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