JP2012177687A

JP2012177687A - ＮＯｘセンサ制御装置

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Publication number: JP2012177687A
Application number: JP2012018026A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Sasaki; 寿佐々木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2011-02-04
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2012-09-13
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: US8906213B2; JP5465263B2; DE102012201587A1; US20120199478A1

Abstract

【課題】ＮＯｘセンサ素子の軸線方向の温度勾配によるセルの出力変動を補償し、酸素濃度又はＮＯｘ濃度の検出精度が向上したＮＯｘセンサ制御装置を提供する。
【解決手段】ＮＯｘセンサ制御装置であって、ＮＯｘセンサは、ヒータと、軸線方向にそれぞれ順に並ぶ酸素濃度検出セル、第１ポンピングセル、第２ポンピングセルを備え、ＮＯｘセンサ制御装置は、第１セル（酸素濃度検出セル）の第１インピーダンスを検出する第１インピーダンス検出手段と、第１インピーダンスが目標値となるようにヒータを通電制御するヒータ制御手段と、第２セル（第２ポンピングセル）の第２インピーダンスを検出する第２インピーダンス検出手段と、第１インピーダンスと第２インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも第３セル（第１ポンピングセル）の出力を補正する出力補正手段と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、固体電解質体および一対の電極を備えるセルを３つ有すると共にヒータを有するＮＯｘセンサに接続されるＮＯｘセンサ制御装置に関する。

自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
このＮＯｘセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを３つ備えたＮＯｘセンサ素子を有するものが知られている。ＮＯｘセンサ素子は軸線方向に延び、軸線方向に沿って見たときに先端側から、第１ポンピングセル、酸素濃度検出セル、第２ポンピングセルが順に並んで構成され、このＮＯｘセンサ素子は周囲を主体金具によって保持されている。

このＮＯｘセンサにおいては、被測定ガスを導入する第１測定室が区画され、第１測定室に臨むように第１ポンピングセルが設けられる。そして、この第１ポンピングセルはＮＯｘセンサが接続されるセンサ制御装置によって通電制御されることにより、第１測定室内の酸素を外部に汲み出したり、外部から第１測定室内に酸素を汲み入れたりするように駆動する。又、第１ポンピングセルに積層されると共に、第１測定室に臨むようにして酸素濃度検出セルが設けられており、第１測定室の酸素濃度に応じた電圧（起電力）が酸素濃度検出セルによって出力される。そして、この酸素濃度検出セルにて出力される電圧が所定の電圧になるように第１ポンピングセルが通電制御され、第１ポンピングセルの駆動によって第１測定室内の被測定ガスの酸素濃度が所定の濃度に制御される。なお、このとき第１ポンピングセルに流れる電流は被測定ガス中の酸素濃度と相関関係があるため、この電流に基づき被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。
そして、酸素濃度が制御された被測定ガスは第１測定室に連通するＮＯｘ測定室（第２測定室）に流入し、ＮＯｘ測定室に臨む第２ポンピングセルに一定電圧を印加することで、被測定ガス中のＮＯｘが分解されて第２ポンピングセルの一対の電極間にＮＯｘ濃度に応じた電流が流れ、この電流に基づきＮＯｘ濃度が検出される。

ここで、酸素濃度及びＮＯｘ濃度を正確に検出するには、ＮＯｘセンサを所定の活性温度（例えば７５０℃以上の所定温度）に加熱して、各セルを活性化させる必要があることから、ＮＯｘセンサには各セルと一体となってヒータが設けられ、ＮＯｘセンサはヒータを通電制御する制御装置に接続されている。このようなＮＯｘセンサ制御装置としてＮＯｘセンサを構成する１つのセルのインピーダンス（内部抵抗）を測定し、測定されるインピーダンスが予め設定された目標インピーダンスになるようにヒータの通電状態を制御する技術が開発されている（特許文献１参照）。通常、ＮＯｘセンサ制御装置は、このようなヒータの通電状態の制御を司る他、各セルの通電状態を制御すると共に、第２ポンピングセルに流れる電流を電圧変化した上で、その電圧を基にＮＯｘ濃度の検出値（濃度換算値）を算出し、外部のエンジン制御装置に該検出値を出力する機能をも司る。

特開平１０−１４２１９４号公報

上記したように、従来の技術では、ＮＯｘセンサ素子を構成する１つのセルの温度が一定になるようにヒータを通電制御しているが、ＮＯｘセンサ素子が軸線方向に細長く、且つ、３つのセルが軸線方向に沿って順に並んで設けられるため、各セル間には温度勾配が生じる。そして、排気ガスの流速等により素子先端側が急激に冷えたり、また、排気管に装着されるＮＯｘセンサの主体金具の温度が変動したりすると、この温度勾配の度合にも変動が生じる。つまり、１つのセルにて測定されるインピーダンスに基づいてヒータを通電制御したとしても、使用環境の変動によってＮＯｘセンサ素子の各セル間の温度勾配にも変動が生じることがある。そして、この温度勾配の変動により、セルの出力に誤差が生じ、酸素濃度、または、ＮＯｘ濃度の検出精度が低下するという問題がある。

すなわち、本発明は、ＮＯｘセンサ素子の軸線方向の温度勾配の変動によるセルの出力変動を補償し、酸素濃度またはＮＯｘ濃度の検出精度が向上したＮＯｘセンサ制御装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のＮＯｘセンサ制御装置は、ＮＯｘセンサに接続されるＮＯｘセンサ制御装置であって、前記ＮＯｘセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力を行う酸素濃度検出セルと、酸素イオン電導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記酸素濃度検出セルの出力が所定の値となるように、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行って前記第１測定室内の酸素濃度を調整すると共に、被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力が流れる第１ポンピングセルと、酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記第１測定室からＮＯｘ測定室に流入し酸素濃度が調整された被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じたポンピング電流が流れる第２ポンピングセルと、ヒータと、を備えたＮＯｘセンサ素子を有し、前記ＮＯｘセンサ素子の軸線方向に沿う先端側から、前記第１ポンピングセル、前記酸素濃度検出セル、前記第２ポンピングセルが順に並び、前記ＮＯｘセンサ制御装置は、前記酸素濃度検出セル、前記第１ポンピングセル、前記第２ポンピングセルのうちの１つである第１セルの第１インピーダンスを検出する第１インピーダンス検出手段と、前記第１セルの前記第１インピーダンスが目標値となるように前記ヒータを通電制御するヒータ制御手段と、前記酸素濃度検出セル、前記第１ポンピングセル、前記第２ポンピングセルのうちの１つであり、且つ、前記第１セルとは異なる第２セルの第２インピーダンスを検出する第２インピーダンス検出手段と、前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも前記第１セル、前記第２セルとは異なる第３セルの出力を補正する出力補正手段と、を備える。

ＮＯｘセンサ素子は軸線方向に細長く、且つ、軸線方向に沿って３つのセルが順に並んでいるため、各セル間には温度勾配が生じ、使用環境の変動によってこの温度勾配にも変動が生じる。そこで、本発明では、第１セルと第２セルとの温度勾配を表す第１インピーダンスと第２インピーダンスとの偏差から、第３セルの温度を推定して温度補償を行うべく第３セルの出力を補正するようにしている。ここで、本発明においては、第３セルの出力の補正にあたり、第１セルのインピーダンスと第２セルのインピーダンスの偏差を用いるようにしているが、ヒータ制御手段にて第１セルのインピーダンスが目標値となるようにヒータを通電制御するようにしている。そのため、偏差を得るための一方の第１セルのインピーダンスはほぼ目標値に近い値を示すことになるため、偏差の値はＮＯｘセンサ素子の温度勾配の度合を精度良くあらわした値となる。そして、本発明ではこの偏差に基づいて第３セルの出力の補正を行っているため、温度勾配の変動に伴う第３セルの出力誤差を解消ないし軽減することができ、特定ガスの濃度検出の精度を高めることができる。また、第３セルの出力補正を行うにあたり、３つのセルのインピーダンスを検出する必要がなく、回路構成を複雑化することなく、特定ガスの濃度検出の精度を向上させたＮＯｘセンサ制御装置を提供することができる。

なお、第３セルを第１ポンピングセルとした場合には、本発明の適用によって被測定ガス中の酸素濃度の検出精度が向上し、第３セルを第２ポンピングセルとした場合には、本発明の適用によってＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。また、第３セルを酸素濃度検出セルとした場合には、第１ポンピングセルの駆動による酸素濃度の調整が安定するため、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることが可能となる。
さらに、本発明では、第１インピーダンスと第２インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも第３セルの出力を補正するものであり、この偏差を用いて第２セルの出力を補正してもよい。なお、第２セルについては第２インピーダンスを検出していることから、この第２インピーダンスに基づいて第２セルの出力を補正するようにしてもよい。
また、出力補正手段による第３セルの出力補正については、上記の偏差を直接用いて適宜の手法で行ってもよいが、上記の偏差を用いて第１セルと２セルとの間の温度勾配係数を算出し、この温度勾配係数を用いて第３セルの出力を補正すると精度の良い補正を実現することが可能となる。

前記第１セルは前記酸素濃度検出セルであるとよい。
第１セルを酸素濃度検出セルとすることで、ヒータ制御手段を通じて第１セルのインピーダンスはほぼ目標値に近い値を示すことになるため、酸素濃度検出セルの出力精度が安定する。そのため、酸素濃度検出セルの出力に基づく第１ポンピングセルの駆動が正確なものとなり、第１測定室からＮＯｘ測定室に流入する被測定ガス中の酸素濃度がほぼ一定になり、第２ポンピングセルに流れる電流に基づくＮＯｘ濃度の検出精度を高めることができる。

この発明によれば、ＮＯｘセンサ素子の軸線方向の温度勾配によるセルの出力変動を補償し、酸素濃度またはＮＯｘ濃度の検出精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサ制御装置の構成を示すブロック図である。ＮＯｘセンサ素子を保持する主体金具の温度を変化させたときの、ＮＯｘセンサ素子の軸線方向の温度分布をそれぞれ示す図である。酸素濃度検出セル、第２ポンピングセルの温度勾配に基づき、第１ポンピングセルの温度を推定する方法を示す図である。酸素濃度検出セル、第２ポンピングセルの温度勾配に基づき、第１ポンピングセルの温度を推定する方法を示す別の図である。ＫｄとＴｃｏとの関係を示すテーブルを示す図である。温度補償処理のメインルーチンのフローを示す図である。図６のメインルーチンで呼び出されるサブルーチンのフローを示す図である。第２ポンピングセルの温度を目標温度に制御したときの、ＫｄとＴｃｏの算出方法を示す図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサ制御装置（コントローラ）１の構成を示すブロック図である。ＮＯｘセンサ制御装置１は、図示しない内燃機関（以下、エンジンともいう）を備える車両に搭載され、ＮＯｘセンサ１０が有するコネクタ（図示せず）に電気的に接続されると共に、車両側制御装置（ＥＣＵ９０）にも電気的に接続されている。
そして、ＮＯｘセンサ制御装置１は、ＮＯｘセンサ１０から出力される信号に基づいて、被測定ガスの酸素濃度の検出値（濃度換算値）及びＮＯｘ濃度の検出値（濃度換算値）をそれぞれ算出し、その検出値をそれぞれＥＣＵ９０に出力し、ＥＣＵ９０は酸素濃度あるいはＮＯｘ濃度に応じてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化、あるいは該触媒の異常検出などの処理を実行する。

ＮＯｘセンサ制御装置１は、ケーシング内に収容された回路基板（図示せず）上に制御回路５８とマイクロコンピュータ（マイコン）６０とを備えている。マイクロコンピュータ６０はＮＯｘセンサ制御装置１全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、信号入出力部６４、Ａ／Ｄコンバータ６５、及び図示しないクロックを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
制御回路５８は、詳しくは後述する基準電圧比較回路５１、Ｉｐ１ドライブ回路５２、Ｖｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４、Ｉｐ２検出回路５５、Ｖｐ２印加回路５６、ヒータ通電回路５７、Ｒｖｓ検出回路５９ａ、Ｒｉｐ２検出回路５９ｂを備える。制御回路５８は、ＮＯｘセンサ素子１００を制御すると共に、ＮＯｘセンサ素子１００に流れる第１ポンピング電流、第２ポンピング電流を検出してマイクロコンピュータ６０に出力する。

次に、ＮＯｘセンサ１０（ＮＯｘセンサ素子１００）の構成について説明する。ＮＯｘセンサ１０は、軸線Ｏ方向に延びる長尺板状のＮＯｘセンサ素子１００を所定のハウジングに収容すると共に、ＮＯｘセンサ制御装置１と接続する接続端子やリード線を含むものであるが、センサやハウジング自体の構成は公知であるため、以下ではＮＯｘセンサ素子１００について、軸線Ｏ方向に沿う断面図１を参照して説明する。
ＮＯｘセンサ素子１００は、第１固体電解質層１１１、絶縁層１４０、第２固体電解質層１２１、絶縁層１４５、第３固体電解質層１３１、及び絶縁層１６２、１６３をこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１１と第２固体電解質層１２１との層間に中空の第１測定室１５０が画成され、第１測定室１５０の左端（入口）に配置された多孔質状の第１拡散抵抗体１５１を介して外部から被測定ガスが導入される。
第１測定室１５０のうち入口と反対端には多孔質状の第２拡散抵抗体１５２が配置され、第２拡散抵抗体１５２を介して第１測定室１５０の右側には、第１測定室１５０と連通する中空のＮＯｘ測定室１６０が画成されている。ＮＯｘ測定室１６０は、第２固体電解質層１２１を貫通して第１固体電解質層１１１と第３固体電解質層１３１との層間に形成されている。

絶縁層１６２、１６３の間にはＮＯｘセンサ素子１００の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ１６４が埋設されている。ヒータ１６４はＮＯｘセンサ素子１００を活性のための目標温度に昇温し、各固体電解質層１１１，１２１，１３１の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。又、後述するように、ヒータ１６４は所定の周期で通電制御され、周囲の温度の急変に対してＮＯｘセンサ素子１００（ＮＯｘセンサ１０）を略一定の温度に保っている。
絶縁層１４０，１４５はアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５１及び第２拡散抵抗体１５２はアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ１６４は白金等からなる。

第１ポンピングセル１１０は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１１と、これを挟持するように配置された内側第１ポンピング電極１１３及び対極となる第１対極電極１１２とを備え、内側第１ポンピング電極１１３は第１測定室１５０に面している。内側第１ポンピング電極１１３及び第１対極電極１１２はいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１４でそれぞれ覆われている。

酸素濃度検出セル１２０は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２１と、これを挟持するように配置された検知電極１２２及び基準電極１２３とを備え、検知電極１２２は内側第１ポンピング電極１１３より下流側で第１測定室１５０に面している。検知電極１２２及び基準電極１２３はいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層１４５は、第２固体電解質層１２１に接する基準電極１２３が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７０を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２０にＩｃｐ供給回路５４を用いて予め微弱な一定値の電流Ｉｃｐを流すことにより、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、基準酸素室１７０内の雰囲気が基準となる酸素雰囲気になるように制御している。

第２ポンピングセル１３０は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３１と、第３固体電解質層１３１のうちＮＯｘ測定室１６０に面した表面に配置された内側第２ポンピング電極１３３及び対極となる第２対極電極１３２とを備えている。内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２はいずれも白金を主体としている。
なお、第２対極電極１３２は、第３固体電解質層１３１上における絶縁層１４５の切り抜き部に配置され、基準電極１２３に対向して基準酸素室１７０に面している。

そして、内側第１ポンピング電極１１３、検知電極１２２、内側第２ポンピング電極１３３はそれぞれ基準電位に接続されている。第１対極電極１１２はＩｐ１ドライブ回路５２に接続され、基準電極１２３はＶｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４及びＲｖｓ検出回路５９ａに並列に接続されている。又、第２対極電極１３２はＩｐ２検出回路５５及びＶｐ２印加回路５６に並列に接続されている。ヒータ通電回路５７はヒータ１６４に接続されている。

ここで、ＮＯｘセンサ素子１００の軸線Ｏ方向に沿う先端側から、第１ポンピングセル１１０、酸素濃度検出セル１２０、第２ポンピングセル１３０がこの順に並んでいる。また、ＮＯｘセンサ素子１００が軸線Ｏ方向に細長いため、ヒータ１６４が第１ポンピングセル１１０、酸素濃度検出セル１２０、第２ポンピングセル１３０のすべてのセルを目標温度に保つことは難しいことから、ヒータ１６４はこれらセルのうち１つ（本実施形態では酸素濃度検出セル１２０）を目標温度に管理するように制御されている。
従って、本実施の形態では、酸素濃度検出セル１２０が特許請求の範囲の「第１セル」に相当する。又、本実施の形態では、第２ポンピングセル１３０が特許請求の範囲の「第２セル」に相当し、第１ポンピングセル１１０が特許請求の範囲の「第３セル」に相当する。

制御回路５８における各回路は、以下のような機能を有する。
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、内側第１ポンピング電極１１３及び第１対極電極１１２の間に第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給しつつ、その際の第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。Ｖｓ検出回路５３は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間の電圧（起電力）Ｖｓを検出し、検出結果を基準電圧比較回路５１に出力する。
基準電圧比較回路５１は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路５３の出力とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に出力する。そして、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電圧Ｖｓが上記基準電圧に等しくなるように第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさ及び通電方向を制御し、第１測定室１５０内の酸素濃度を所定の低酸素濃度に調整する。
Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込む。
Ｖｐ２印加回路５６は、内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２の間に、被測定ガス中のＮＯｘ（具体的にはＮＯ）が酸素とＮ
２に分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。
Ｉｐ２検出回路５５は、ＮＯｘの分解により生じた酸素がＮＯｘ測定室１６０から汲み出されるように第２ポンピングセル１３０（内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２の間）に流れる第２ポンピング電流Ｉｐ２を電圧変換して検出する。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、自身で検出した第１ポンピング電流Ｉｐ１の値を電圧変換してＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。また、Ｉｐ２検出回路５５は、自身で検出した第２ポンピング電流Ｉｐ２の値を電圧変換してＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ６５はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部６４を介してＣＰＵ６１に出力する。

Ｒｖｓ検出回路５９ａは、マイコン６０の指示に応じて酸素濃度検出セル１２０に所定のタイミング毎に定電流を供給し又は供給を停止する制御を行い、定電流を供給したときの酸素濃度検出セル１２０の電圧変化量をマイコン６０（Ａ／Ｄコンバータ６５）に出力する。
Ｒｉｐ２検出回路５９ｂは、マイコン６０の指示に応じて所定のタイミング毎に第２ポンピングセル１３０に一定のパルス状電圧を供給し又は供給を停止する制御を行い、パルス状電圧を供給したときの第２ポンピングセル１３０の電流変化量をマイコン６０に出力する。
ここで、ガスセンサ素子の各セル１２０、１３０の内部抵抗（インピーダンス）が各セル１２０、１３０の温度に依存することから、これらインピーダンスを検出することで、各セル１２０、１３０の温度を測定することが可能である。そして、各セル１２０、１３０の出力変化量と、各セル１２０、１３０に供給した上記電流又は電圧とに基づき各セル１２０、１３０のインピーダンスの値を算出し、さらにインピーダンスの値と各セル１２０、１３０の温度の関係（例えばマップ）に基づき、各セル１２０、１３０の温度を算出する。
なお、Ｒｖｓ検出回路５９ａ及びマイクロコンピュータ６０（のＣＰＵ６１）が特許請求の範囲の「第１インピーダンス検出手段」に相当し、Ｒｉｐ２検出回路５９ｂ及びマイクロコンピュータ６０（のＣＰＵ６１）が特許請求の範囲の「第２インピーダンス検出手段」に相当する。又、酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスが特許請求の範囲の「第１インピーダンス」に相当し、第２ポンピングセル１３０のインピーダンスが特許請求の範囲の「第２インピーダンス」に相当する。

次に、制御回路５８を用いたＮＯｘセンサ１０の制御の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ通電回路５７を介してヒータ１６４が作動し、第１ポンピングセル１１０、酸素濃度検出セル１２０、第２ポンピングセル１３０を活性化温度（目標温度）まで加熱する。又、Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込む。

そして、各セル１１０〜１３０が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１０は、第１測定室１５０内の酸素濃度が所定の低酸素濃度になるように、酸素濃度検出セル１２０の出力を用いたフィードバック制御により、第１測定室１５０に流入した被測定ガス（排ガス）中の酸素を内側第１ポンピング電極１１３から第１対極電極１１２へ向かって汲み出したり、第１対極電極１１２側から内側第１ポンピング電極１１３に向かって酸素を汲み入れたりする。このとき、第１ポンピングセル１１０に流れる電流Ｉｐ１と酸素濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐドライブ回路５２が第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出することにより、被測定ガス中の酸素濃度を検出することができる。

酸素濃度が調整された被測定ガスは第１測定室１５０からＮＯｘ測定室１６０に向かってさらに流れる。そして、Ｖｐ２印加回路５６は、第２ポンピングセル１３０の電極間電圧（端子間電圧）として、被測定ガス中のＮＯｘガスが酸素とＮ_２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素がＮＯｘ測定室１６０から汲み出されるよう、第２ポンピングセル１３０に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。この際、第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２検出回路５５が第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出することにより、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。

次に、Ｒｖｓ検出回路５９ａとヒータ通電回路５７を用いたヒータ１６４の通電制御について説明する。なお、ヒータ通電回路５７及びマイクロコンピュータ６０（のＣＰＵ６１）が特許請求の範囲の「ヒータ制御手段」に相当する。
まず、Ｒｖｓ検出回路５９ａで測定した電圧変化量（差電圧）に基づき、ＣＰＵ６１で酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスＲｐｖｓを算出し、このインピーダンスＲｐｖｓが目標値になるようにヒータ１６４の通電制御を実行する。これにより、酸素濃度検出セル１２０が目標温度に実質的に維持される。
なお、ヒータ１６４の通電制御処理は、インピーダンスＲｐｖｓが目標値になるように、例えばヒータ１６４への通電を行うためのデューティ比を算出するＰＷＭ制御（ＰＷＭ通電）により行うことができる。

次に、本発明の特徴部分である、第１ポンピングセル１１０及び第２ポンピングセル１３０の出力を補正する温度補償処理について説明する。なお、温度補償処理はマイコン６０で行われるので、マイコン６０が特許請求の範囲の「出力補正手段」に相当する。

まず、温度補償処理の概念を図２に基づいて説明する。図２において、２つの曲線は、ＮＯｘセンサ素子１００を保持する主体金具の温度をそれぞれ４００℃、定常温度（１５０℃）に変化させたときの、ＮＯｘセンサ素子１００の軸線Ｏ方向の温度分布をそれぞれ示す。ＮＯｘセンサ素子１００は軸線Ｏ方向に細長いため、軸線Ｏ方向に沿って第１ポンピングセル１１０から第２ポンピングセル１３０に向かって低温となる温度勾配が生じる。さらに主体金具の温度（つまり、ガスセンサ外部の温度）が変化すると、ＮＯｘセンサ素子１００から主体金具へ奪われる熱量も変化するため、温度勾配の度合が変化することがわかる。
ここで、酸素濃度検出セル１２０はヒータで一定の温度となるように温度制御されているため、主体金具の温度が変動してもほぼセル温度Ｔｓが略一定に保たれており、各曲線は酸素濃度検出セル１２０の位置（セル温度Ｔｓ）でほぼ交差している。又、第１ポンピングセル１１０及び第２ポンピングセル１３０のセル温度をそれぞれＴ１，Ｔ２とする。なお、本発明においては、１つのセル（第１セル）の目標温度がヒータ１６４で制御されている必要がある。これは、図２、図３において、温度（インピーダンス）の値がほぼ一定となるセルがないと、第１セルのインピーダンスと第２セルのインピーダンスとの偏差を求めたときに、温度勾配の変動を精度よくつかむことができなくなるためである。

図３に示すように、第１セル及び第２セル（本実施形態では酸素濃度検出セル１２０、第２ポンピングセル１３０）のインピーダンスをそれぞれ検出し、それらインピーダンスの偏差を用いてセル１２０、１３０間の温度勾配係数Ｋｄ（図２の各曲線に対応してそれぞれＫｄ１，Ｋｄ２）を求め、残りの第３セル（本実施形態では第１ポンピングセル１１０）も同じ温度勾配Ｋｄの直線上に位置すると近似すれば、第１ポンピングセル１１０の温度を温度勾配Ｋｄから外挿法で推定することができる。具体的には、各セル１２０、１３０のインピーダンスからそれぞれ各セル１２０、１３０の温度Ｔｓ，Ｔ２を求め、直線の傾き（温度勾配係数）Ｋｄ（＝（Ｔｓ−Ｔ２）／ΔＸｓ２）を計算する。ここで、ΔＸｓ２は、酸素濃度検出セル１２０と第２ポンピングセル１３０との間の軸線Ｏ方向の距離（具体的には、酸素濃度検出セル１２０の検出電極１２２の軸線Ｏ方向に沿った長さの中央位置から第２ポンピングセル１３０の内側第２ポンピング電極１３３の軸線Ｏ方向に沿った長さの中央位置までの距離）である。そして、酸素濃度検出セル１２０と第１ポンピングセル１１０との軸線Ｏ方向の距離ΔＸｓ１（具体的には、酸素濃度検出セル１２０の検出電極１２２の軸線Ｏ方向に沿った長さの中央位置から第１ポンピングセル１３０の内側第１ポンピング電極１１３の軸線Ｏ方向に沿った長さの中央位置までの距離）と上記の温度勾配係数Ｋｄとから、第１ポンピングセル１１０の温度補償量Ｔｃｏ（＝Ｔ１−Ｔｓ）を求めることができる。なお、この方法は、上記曲線を正確に反映したものではないが、簡便で計算処理が容易となる。

又、図２の曲線によるＴｓ，Ｔ１，Ｔ２の関係を正確に反映したい場合には、予め、ＮＯｘセンサ素子の外部温度を変えたときの図２の曲線を多数測定しておく。そして、図４に示すように、セル温度Ｔｓ，Ｔ２から各セル１２０、１３０間の温度勾配係数Ｋｄを求めると共に、このときの温度補償量Ｔｃｏの値を図２の曲線から読み取った実測値とする。そして、各温度勾配係数Ｋｄに対し、Ｔｃｏの実測値を対応付けてテーブル（マップ）に記憶しておき、温度補償処理の際に温度勾配係数Ｋｄを算出した後、テーブルから温度補償量Ｔｃｏを参照する。
図５は、温度勾配係数Ｋｄと温度補償量Ｔｃｏとの関係を示すテーブルであり、このテーブルはＲＯＭ６３に格納しておくことができる。具体的には、テーブルには、ＮＯｘセンサ素子の温度を種々変化させたときのそれぞれの温度勾配係数Ｋｄと温度補償量Ｔｃｏとの関係（主体金具の温度が４００℃(図３の実線)のときの温度勾配係数Ｋｄ１に対し温度補償量Ｔｃｏ１、定常温度（１５０℃）(図３の破線)のときの温度勾配係数Ｋｄ２に対し温度補償量Ｔｃｏ２）が記憶されている。なお、図５では理解を容易にするために、２つの温度勾配係数Ｋｄと温度補償量Ｔｃｏとの関係を示したテーブルを示しているが、温度補償を精度良く行うために、３つ以上の温度勾配係数Ｋｄと温度補償量Ｔｃｏとの関係を示したテーブルを適用しても良いことは言うまでもない。

次に、図６、図７を参照し、温度補償処理のフローについて説明する。図６は温度補償処理のメインルーチンであり、図７はこのメインルーチンで呼び出されるサブルーチンである。
図６において、所定時間Ｔａが経過するまでメインルーチンの処理のタイミング待ちを行う（ステップＳ１０）。ステップＳ１０で「Ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１２に移行し、ＣＰＵ６１は第１ポンピングセル１１０の出力（第１ポンピング電流）Ｉｐ１を取得する。一方、ステップＳ１０で「Ｎｏ」であれば、メインルーチンの最初に戻る。

次に、ＣＰＵ６１は、図３で説明した温度勾配係数Ｋｄと、ステップＳ１２で取得したＩｐ１とを用い、被測定ガス中の酸素濃度を算出する（ステップＳ１４）。ここで、ＲＯＭ６３には予め温度勾配係数の初期値Ｋｄｆが記憶されており、ＮＯｘセンサ制御装置１の起動時には、ステップＳ１４で初期値Ｋｄｆが読み出され、以後、サブルーチンで温度勾配係数Ｋｄが更新される。ステップＳ１４では、ＣＰＵ６１は、温度勾配係数Ｋｄ（Ｋｄｆ）を読出した後、Ｋｄ（Ｋｄｆ）とΔＸｓ１とから温度補償量Ｔｃｏを算出し、Ｉｐ１ドライブ回路５２を介して検出される第１ポンピング電流Ｉｐ１に温度補償量Ｔｃｏの情報を加味した電流値（補正後電流値）を真値（第１ポンピング電流の温度変動を考慮した値）として算出する。そして、この真値に基づいて温度補償された被測定ガス中の酸素濃度を算出する。なお、温度補償量Ｔ
ＣＯに応じた第１ポンピング電流Ｉｐ１の変化量は、マップとして格納されていてもよく、両者の関係式（演算式）として設定されていてもよい。

次に、ＣＰＵ６１は、第２ポンピングセル１３０の出力（第２ポンピング電流）Ｉｐ２を取得する（ステップＳ１６）。そして、ＣＰＵ６１は、後述のサブルーチンで実施されるステップＳ１１６で算出された最新の第２インピーダンスＲｉｐ２と、ステップＳ１６で取得した第２ポンピング電流Ｉｐ２とを用い、ＮＯｘ濃度を算出する（ステップＳ１８）。つまり、ステップＳ１８では、第２ポンピング電流Ｉｐ２に最新の第２インピーダンスＲｉ２の情報を加味した電流値（補正後電流値）を真値として算出する。そして、この真値に基づいて温度補償されたＮＯｘ濃度を算出する。なお、第２インピーダンスＲｉｐ２に応じた第２ポンピング電流Ｉｐ２の変化量は、マップとして格納されていてもよく、両者の関係式（演算式）として設定されていてもよい。

次に、ＣＰＵ６１は、所定時間Ｔｂが経過するまで温度勾配係数Ｋｄの算出（更新）タイミング待ちを行う（ステップＳ２０）。ステップＳ２０で「Ｙｅｓ」であれば、ステップＳ１００に移行し、温度勾配係数Ｋｄの算出処理を行う（図７参照）。一方、ステップＳ２０で「Ｎｏ」であれば、メインルーチンの最初に戻る。
そして、ステップＳ１００で温度勾配係数Ｋｄの算出処理が終了すると、ＣＰＵ６１は、上記したように酸素濃度検出セル１２０の第１インピーダンスＲｖｓに基づくヒータ１６４の通電制御を行い（ステップＳ２２）、メインルーチンの最初に戻る。

以上のように、温度勾配係数Ｋｄを用いることで、ＮＯｘセンサ素子の軸線Ｏ方向の温度勾配を打ち消し、第１ポンピングセル１１０の温度を反映した被測定ガス中の正確な酸素濃度を算出することができる（ステップＳ１４）。

次に、図７を参照してサブルーチンである温度勾配係数Ｋｄの算出処理のフローについて説明する。
まず、ＣＰＵ６１の指示に応じ、Ｒｖｓ検出回路５９ａは酸素濃度検出セル（Ｖｓセル）１２０に定電流を供給し（ステップＳ１０２）、そのときの酸素濃度検出セル１２０の電圧変化量を検出する（ステップＳ１０４）。次いで、Ｒｖｓ検出回路５９ａは、酸素濃度検出セル１２０への定電流の供給を停止し（ステップＳ１０６）、上記電圧変化量から酸素濃度検出セル１２０の第１インピーダンスＲｖｓを算出する（ステップＳ１０８）。
また、ＣＰＵ６１の指示に応じ、Ｒｉｐ２検出回路５９ｂは第２ポンピングセル１３０にパルス状電圧を供給し（ステップＳ１１０）、そのときの第２ポンピングセル１３０の電流変化量を検出する（ステップＳ１１２）。次いで、Ｒｉｐ２検出回路５９ｂは、第２ポンピングセル１３０へのパルス状電圧の供給を停止し（ステップＳ１１４）、上記電流変化量から第２ポンピングセル１３０の第２インピーダンスＲｉｐ２を算出する（ステップＳ１１６）。
そして、ＣＰＵ６１は、Ｒｖｓ及びＲｉｐ２に基づいてＴｓ及びＴ２を求め、さらに温度勾配係数Ｋｄ（＝（Ｔｓ−Ｔ２）／ΔＸｓ２）を算出し、ＲＯＭ６３に記憶された温度勾配係数を更新する（ステップ１１８）。このようにして、本実施の形態では、ステップＳ１４にて被測定ガス中の酸素濃度を算出するために必要な温度勾配係数Ｋｄを随時更新していくのである。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、酸素濃度検出セル１２０の温度をヒータ１６４を用いて目標温度に制御したが、第１ポンピングセル１１０又は第２ポンピングセル１３０の温度をヒータ１６４で目標温度に制御してもよい。つまり、第１ポンピングセル１１０又は第２ポンピングセル１３０のいずれかを本発明の「第１セル」に設定して、残った２つのセルのうちの一方を「第２セル」、他方を「第３セル」に設定するようにしてもよい。図８は、第２ポンピングセル１３０の温度をヒータ１６４で目標温度に制御したときの、温度勾配係数Ｋｄと温度補償量Ｔｃｏの関係（算出方法）を示す。図８の例では、外部温度が変動しても第２ポンピングセル１３０のセル温度Ｔ２がほぼ一定に保たれており、このような関係のもと算出された温度勾配係数Ｋｄを用いて第１ポンピングセル１１０の第１ポンピング電流Ｉｐ１を補正するようにしている。

さらに、上記実施形態では、温度補償量Ｔｃｏを求めるために、温度勾配係数Ｋｄ（＝（Ｔｓ−Ｔ２）／ΔＸｓ２）を計算したが、ＴｓとＴ２の間の温度変化を反映するパラメータであれば温度補償係数Ｋｄに限られることはなく、例えば第１インピーダンスＲｖｓと第２インピーダンスＲｉｐ２との偏差を直接用いてもよい。
また、上記実施形態では、第２ポンピング電流Ｉｐ２の補正を最新の第２インピーダンスＲｉｐ２を用いて行うようにしたが、第１ポンピング電流Ｉｐ１の補正と同様に、ステップＳ１１８で算出される温度勾配係数Ｋｄを用いて、第２ポンピング電流Ｉｐ２の補正を行って当該電流Ｉｐ２の温度補償を行うようにして、ＮＯｘ濃度を算出するようにしてもよい。

１ＮＯｘセンサ制御装置
１０ＮＯｘセンサ
５７，６０ヒータ制御手段（ヒータ通電回路、マイコン）
５９ａ、６０第１インピーダンス検出手段（Ｒｖｓ検出回路及びマイコン）
５９ｂ、６０第２インピーダンス検出手段（Ｒｉｐ２検出回路及びマイコン）
６０出力補正手段（マイコン）
１００ＮＯｘセンサ素子
１１０第１ポンピングセル
１２０第２ポンピングセル
１３０酸素濃度検知セル
１１１、１２１、１３１固体電解質体
１５０第１測定室
１６０ＮＯｘ測定室
１６４ヒータ
Ｏ軸線

Claims

ＮＯｘセンサに接続されるＮＯｘセンサ制御装置であって、
前記ＮＯｘセンサは、酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力を行う酸素濃度検出セルと、
酸素イオン電導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記酸素濃度検出セルの出力が所定の値となるように、前記第１測定室に導入される被測定ガス中の酸素の汲み出し又は汲み入れを行って前記第１測定室内の酸素濃度を調整すると共に、被測定ガス中の酸素濃度に応じた出力が流れる第１ポンピングセルと、
酸素イオン伝導性の固体電解質体及び一対の電極を有し、前記第１測定室からＮＯｘ測定室に流入し酸素濃度が調整された被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じたポンピング電流が流れる第２ポンピングセルと、
ヒータと、を備えたＮＯｘセンサ素子を有し、
前記ＮＯｘセンサ素子の軸線方向に沿う先端側から、前記第１ポンピングセル、前記酸素濃度検出セル、前記第２ポンピングセルが順に並び、
前記ＮＯｘセンサ制御装置は、
前記酸素濃度検出セル、前記第１ポンピングセル、前記第２ポンピングセルのうちの１つである第１セルの第１インピーダンスを検出する第１インピーダンス検出手段と、
前記第１セルの前記第１インピーダンスが目標値となるように前記ヒータを通電制御するヒータ制御手段と、
前記酸素濃度検出セル、前記第１ポンピングセル、前記第２ポンピングセルのうちの１つであり、且つ、前記第１セルとは異なる第２セルの第２インピーダンスを検出する第２インピーダンス検出手段と、
前記第１インピーダンスと前記第２インピーダンスとの偏差に基づき、少なくとも前記第１セル、前記第２セルとは異なる第３セルの出力を補正する出力補正手段と、を備える
ＮＯｘセンサ制御装置。
前記第１セルは、前記酸素濃度検出セルである請求項１記載のＮＯｘセンサ制御装置。
前記出力補正手段は、前記偏差を用いて前記第１セルと前記２セルとの間の温度勾配係数を算出し、この温度勾配係数を用いて前記第３セルの出力を補正する請求項１または請求項２に記載のＮＯｘセンサ制御装置。