JP2013148358A

JP2013148358A - ガス濃度検出装置の補正係数設定方法およびガス濃度検出装置ならびにガスセンサ

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Publication number: JP2013148358A
Application number: JP2012006754A
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Inventors: Hisashi Sasaki; 寿佐々木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-01-17
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2013-08-01
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Abstract

【課題】酸素濃度と濃度信号値との関係線を直線に近似させるための補正係数を用いて出力特性を補正し、濃度信号値に応じた酸素濃度を簡易な演算によって求めるガス濃度検出装置の補正係数設定方法およびガス濃度検出装置ならびにガスセンサを提供する。
【解決手段】酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ１の値との関係を示す関係線は、通常、二次関数の曲線で表される。ｘに依存する係数ｃ（ｘ）を考え、ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を、原点を通る、ＳｅｎｓｏｒＯ_２の一次関数として近似して、ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２＝ｃ（ｘ）・ＳｅｎｓｏｒＯ_２を得る。この式を展開し、補正係数をｋとして表すと、

事前に、酸素濃度７％、１６％、２０％に設定された試料ガスにガスセンサを晒し、取得したポンプ電流Ｉｐ１に基づき傾きｋを求め、補正係数として、記憶部に記憶する。
【選択図】図２

Description

本発明は、検知対象ガスの酸素濃度を検出するガス濃度検出装置の補正係数設定方法およびガス濃度検出装置ならびにガスセンサに関する。

検知対象ガス中の特定ガス濃度に応じた濃度信号を出力するガスセンサが知られている。ガスセンサは、一般に、検知対象ガスが流れる流通管（例えば、排気管）に装着され、流通管外部に配置されるガス濃度検出装置（例えばセンサ制御装置）に接続される。ガス濃度検出装置は、ガスセンサへの通電や、ガスセンサを加熱するヒータへの印加電圧の制御など、ガスセンサに対して種々の制御を実行し、ガスセンサから上記濃度信号を取得する。

ところで、特定ガス濃度とガスセンサが出力する濃度信号値との関係を表す特性（以下、「出力特性」という。）は、ガスセンサ毎に僅かに異なる場合がある。例えば、製造バラツキに起因して、複数のガスセンサ間で、出力特性がばらつく場合がある。ここで、特許文献１に記載のセンサ制御装置（ガス濃度検出装置）は、ガスセンサ起動時において、ガスセンサの出力するガス濃度の対応値の補正を行っている。具体的に、特許文献１では、ガス濃度対応値の経時変化のパターンを示すパターンデータを補正データとして複数種類保持し、ガスセンサ毎に適した補正データを適用し、ガスセンサ起動時の出力の補正を行っている。

しかし、特許文献１のように、補正データを適用してガスセンサの出力の補正を行うには、ガス濃度検出装置のＣＰＵに、演算による負荷が大きくかかる。ここで、特定ガスとして酸素を対象とした場合、酸素濃度と濃度信号値の関係を表すガスセンサの出力特性を、酸素濃度と濃度信号値をそれぞれ軸とするグラフに表した場合に描かれる関係線は、二次関数の曲線で表されることが知られている。ゆえに、酸素濃度を検出するガス濃度検出装置においては、二次関数によって表される関係式を用い、ガスセンサの濃度信号値を補正して酸素濃度を求めれば、補正データを用いる場合よりも演算による負荷を減らすことができる。

特開２０１１−５３０３２号公報

しかしながら、ガス濃度検出装置のＣＰＵにかかる負荷のさらなる低減が求められていた。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、酸素濃度と濃度信号値との関係線を直線に近似させるための補正係数を用いて出力特性を補正することで、濃度信号値に応じた酸素濃度を簡易な演算によって求めることができるガス濃度検出装置の補正係数設定方法およびガス濃度検出装置ならびにガスセンサを提供することを目的とする。

第１態様によれば、固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段と、前記演算手段が前記酸素濃度を演算する際に、前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、を備えるガス濃度検出装置において、前記補正係数を利用可能に設定する上で事前に行われる設定方法であって、少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得する取得工程と、前記取得工程において取得された各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出した後、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための前記補正係数を算出する算出工程と、前記算出工程によって算出された前記補正係数を前記記憶手段に記憶させる記憶工程と、を備えるガス濃度検出装置の補正係数設定方法が提供される。

第１態様では、事前に設定された、酸素濃度の演算に用いる補正係数によって、基準となる任意の１つの補正酸素濃度と他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を直線に近似することができるので、関係線が従来の二次関数の曲線によって示される場合と比べ、より、酸素濃度の検出精度を高くすることができる。特に低酸素濃度における検出精度を高めることができる。さらに、補正係数を個々のガス濃度検出装置が有する記憶手段に記憶させることで、個々のガスセンサ素子に応じた補正を行うことができ、酸素濃度の検出精度を高めることができる。また、酸素濃度を補正する演算を一次関数を用いて行うことができるので容易であり、演算手段にかかる負荷を低減することができる。

第２態様によれば、固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段と、前記演算手段が前記酸素濃度を演算する際に、前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、を備えるガス濃度検出装置であって、前記補正係数は、事前に、少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得した上で、各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出し、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための係数であることを特徴とするガス濃度検出装置が提供される。

第２態様では、事前に設定された、酸素濃度の演算に用いる補正係数によって、基準となる任意の１つの補正酸素濃度と他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を直線に近似することができるので、関係線が従来の二次関数の曲線によって示される場合と比べ、より、酸素濃度の検出精度を高くすることができる。特に低酸素濃度における検出精度を高めることができる。さらに、補正係数を個々のガス濃度検出装置が有する記憶手段に記憶させることで、個々のガスセンサ素子に応じた補正を行うことができ、酸素濃度の検出精度を高めることができる。また、酸素濃度を補正する演算を一次関数を用いて行うことができるので容易であり、演算手段にかかる負荷を低減することができる。

第３態様によれば、固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、からなり、前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段に接続されるガスセンサであって、前記補正係数は、事前に、少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得した上で、各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出し、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための係数であることを特徴とするガスセンサが提供される。

第３態様では、事前に設定された、酸素濃度の演算に用いる補正係数によって、基準となる任意の１つの補正酸素濃度と他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を直線に近似することができるので、関係線が従来の二次関数の曲線によって示される場合と比べ、より、酸素濃度の検出精度を高くすることができる。特に低酸素濃度における検出精度を高めることができる。さらに、補正係数を個々のガスセンサが有する記憶手段に記憶させることで、個々のガスセンサに応じた補正を行うことができ、酸素濃度の検出精度を高めることができる。また、酸素濃度を補正する演算を一次関数を用いて行うことができるので容易であり、演算手段にかかる負荷を低減することができる。

ガス濃度検出装置１の概念図である。基準となる任意の１つの補正酸素濃度と他の２つの補正酸素濃度とが示す出力特性を一次関数の直線に近似させるための補正係数を得るグラフの一例である。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。なお、参照する図面は、本発明が採用し得る技術的特徴を説明するために用いるものであり、記載している装置の構成等は、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。

まず、本発明に係る補正係数設定方法によって事前に求めた補正係数を用いてガスセンサ１０の出力の補正を行うガス濃度検出装置１の構成について、図１を参照して説明する。ガス濃度検出装置１は、酸素の濃度を検出する機能を備える。

図１に示すように、ガス濃度検出装置１は、ガスセンサ１０と、制御部５とを備える。ガスセンサ１０は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ濃度に応じた電流値を制御部５に出力する。制御部５は、ガスセンサ１０と電気的に接続され、ガスセンサ１０を制御する他、ガスセンサ１０から出力された電流値に基づいて排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ濃度を表す濃度対応値を算出する。

まず、ガスセンサ１０について説明する。ガスセンサ１０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５と、コネクタ部４０と、ハウジング（図示外）とを備える。検知素子１１は、３枚の板状の固体電解質体１２，１３，１４と、アルミナ等からなる２枚の板状の絶縁体１５，１６とを交互に積層した構造を有する。ヒータ素子３５は、後述する第一酸素ポンプセル２と、酸素分圧検知セル３と、第二酸素ポンプセル４の早期活性化と、第一酸素ポンプセル２と、酸素分圧検知セル３と、第二酸素ポンプセル４の活性の安定性維持とのために、固体電解質体１４に積層されている。コネクタ部４０は、ガスセンサ１０と、制御部５とを電気的に接続するために設けられている。ハウジングは、ガスセンサ１０を排気通路（図示外）に取り付けるために、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを内部に保持する。なお、検知素子１１が、本発明における「ガスセンサ素子」に相当する。

以下、検知素子１１が備える各構成について詳述する。検知素子１１は、第一測定室２３と、第二測定室３０と、基準酸素室２９と、第一酸素ポンプセル２（以下、「Ｉｐ１セル２」という。）と、酸素分圧検知セル３（以下、「Ｖｓセル３」という。）と、第二酸素ポンプセル４（以下、「Ｉｐ２セル４」という。）を備える。

第一測定室２３は、検知素子１１の先端部に設けられ、排気通路内の排気ガスが検知素子１１内に最初に導入される小空間である。第一測定室２３は、固体電解質体１２と固体電解質体１３との間に配置された絶縁体１５に形成されている。第一測定室２３の固体電解質体１２側の面には電極１８が配置され、固体電解質体１３側の面には電極２１が配置されている。第一測定室２３の検知素子１１における先端側に開口し、開口部に第一拡散抵抗部２４が設けられている。第一拡散抵抗部２４は第一測定室２３内外の仕切りとして機能し、第一測定室２３内への排気ガスの単位時間あたりの流通量を制限する。同様に、第一測定室２３の検知素子１１における後端側には、第二拡散抵抗部２６が設けられている。第二拡散抵抗部２６は、第一測定室２３と第二測定室３０との仕切りとして機能し、第一測定室２３から第二測定室３０内へのガスの単位時間あたりの流通量を制限する。

第二測定室３０は、固体電解質体１２と、第二拡散抵抗部２６および開口部２５と、固体電解質体１３に設けられた開口部３１と、絶縁体１６と、電極２８によって囲まれた小空間である。第二測定室３０は、第一測定室２３と連通し、Ｉｐ１セル２によって酸素濃度が調整された後の排気ガス（以下、「調整ガス」という。）が導入される。基準酸素室２９は、絶縁体１６と、電極２２と、電極２７によって囲まれた小空間である。基準酸素室２９内には、セラミック製の多孔質体が充填されている。

Ｉｐ１セル２は、固体電解質体１２と、多孔質性の電極１７，１８を備える。固体電解質体１２は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。電極１７，１８は、検知素子１１の積層方向において固体電解質体１２の両面に設けられている。電極１７，１８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。Ｐｔを主成分とする材料としては、例えば、Ｐｔと、Ｐｔ合金と、Ｐｔとセラミックスとを含むサーメットとが挙げられる。また、電極１７，１８の表面には、セラミックスからなる多孔質性の保護層１９，２０がそれぞれ形成されている。

Ｉｐ１セル２は、電極１７，１８間に電流を供給することで、電極１７の接する雰囲気（検知素子１１の外部の雰囲気）と電極１８の接する雰囲気（第一測定室２３内の雰囲気）との間で、酸素の汲み出しおよび汲み入れ（いわゆる酸素ポンピング）を行う。

Ｖｓセル３は、固体電解質体１３と、多孔質性の電極２１，２２を備える。固体電解質体１３は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン伝導性を有する。固体電解質体１３は、絶縁体１５を挟んで固体電解質体１２と対向するように配置されている。電極２１，２２は、検知素子１１の積層方向における固体電解質体１３の両面にそれぞれ設けられている。電極２１は、第一測定室２３内の固体電解質体１２と向き合う側の面に形成されている。電極２１，２２は、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成される。

Ｖｓセル３は、主として、固体電解質体１３によって隔てられた雰囲気（電極２１の接する第一測定室２３内の雰囲気と、電極２２に接する基準酸素室２９内の雰囲気）間の酸素分圧差に応じて起電力を発生する。Ｖｓセル３は、基準酸素室２９内の雰囲気を基準となる酸素濃度となるように制御を行う。

Ｉｐ２セル４は、固体電解質体１４と、多孔質製の電極２７，２８を備える。固体電解質体１４は、例えばジルコニアからなり、酸素イオン導電性を有する。固体電解質体１４は、絶縁体１６を挟んで固体電解質体１３と対向するように配置されている。固体電解質体１４の固体電解質体１３側の面には、上述のＰｔを主成分とする材料によって形成された電極２７，２８がそれぞれ設けられている。

Ｉｐ２セル４は、絶縁体１６によって隔てられた雰囲気（電極２７に接する基準酸素室２９内の雰囲気と、電極２８に接する第二測定室３０内の雰囲気）間において酸素の汲み出しを行う。

次に、ヒータ素子３５について説明する。ヒータ素子３５は、絶縁層３６，３７と、ヒータパターン３８を備える。絶縁層３６，３７は、アルミナを主成分とするシート状の形状を有する。ヒータパターン３８は、絶縁層３６，３７の間に埋設され、ヒータ素子３５内で繋がる一本の電極パターンである。ヒータパターン３８は、一方の端部が接地され、他方の端部がヒータ駆動回路５９に接続されている。ヒータパターン３８は、Ｐｔを主成分とする材料によって形成される。

次に、コネクタ部４０について説明する。なお、コネクタ部４０は特開２００９−１２１９７５のような公知の構造であり、詳細な説明は割愛するが、コネクタ部４０は、ガスセンサ１０の後端側に設けられ、コネクタ本体部とコネクタ本体部に固定されたケース部を有している。コネクタ本体部内には、端子４１〜４７が配置され、ケース部内には、記憶部４８を備える。記憶部４８は、例えば、半導体記憶媒体である。記憶部４８は、後述する補正係数設定方法によって事前に求めた補正係数を記憶する。端子４１は、記憶部４８に接続している。端子４２は、リード線を介して、電極１７に接続している。端子４３は、リード線を介して、電極１８と電極２１と電極２８に接続している。端子４４は、リード線を介して、電極２２に接続している。端子４５は、リード線を介して、電極２７に接続している。端子４６，４７は、リード線を介して、それぞれヒータパターン３８の両端部に接続している。なお、記憶部４８が、本発明における「記憶手段」に相当する。

次に、制御部５の構成について説明する。制御部５は、検知素子１１およびヒータ素子３５の制御を行う装置である。また、制御部５は、検知素子１１から取得したＩｐ１電流に基づき酸素濃度対応値を算出するとともに、検知素子１１から取得したＩｐ２電流に基づきＮＯｘ濃度対応値を算出し、算出した酸素濃度対応値およびＮＯｘ濃度対応値をＥＣＵ９０に出力する。制御部５は、制御回路部５０と、マイクロコンピュータ６０と、コネクタ部７０とを備える。制御回路部５０は、検知素子１１と、ヒータ素子３５とを制御する。マイクロコンピュータ６０は、制御回路部５０を制御する。コネクタ部７０は、ガスセンサ１０のコネクタ部４０と電気的に接続される。以下、制御部５の各構成を説明する。

制御回路部５０は、基準電圧比較回路５１と、Ｉｐ１ドライブ回路５２と、Ｖｓ検知回路５３と、Ｉｃｐ供給回路５４と、Ｉｐ２検知回路５５と、Ｖｐ２印加回路５６と、ヒータ駆動回路５９を備える。各回路は、マイクロコンピュータ６０からの制御信号に応じて駆動する。以下、制御回路部５０が備える各構成について詳述する。

Ｉｃｐ供給回路５４は、Ｖｓセル３の電極２１，２２間に微弱な電流Ｉｃｐを供給し、第一測定室２３内から基準酸素室２９内に酸素イオンを移動させて、酸素を溜め込ませる。Ｖｓ検知回路５３は、電極２１，２２間の電圧（起電力）Ｖｓを検知するための回路であり、その検知結果を基準電圧比較回路５１に対し出力する。基準電圧比較回路５１は、Ｖｓ検知回路５３によって検知された電圧Ｖｓを、基準となる基準電圧（例えば４２５ｍＶ）と比較するための回路であり、その比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に対し出力する。

Ｉｐ１ドライブ回路５２は、Ｉｐ１セル２の電極１７，１８間にポンプ電流Ｉｐ１を供給するための回路である。Ｉｐ１ドライブ回路５２は、基準電圧比較回路５１によるＶｓセル３の電極２１，２２間の電圧Ｖｓの比較結果に基づいて、電圧Ｖｓが予め設定された基準電圧と略一致するように、ポンプ電流Ｉｐ１の大きさや向きを制御する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３内から検知素子１１の外部への酸素の汲み出し、または検知素子１１の外部から第一測定室２３内への酸素の汲み入れが行われる。言い換えると、Ｉｐ１セル２では、Ｉｐ１ドライブ回路５２による通電制御に基づき、Ｖｓセル３の電極２１，２２間の電圧が一定値（基準電圧の値）に保たれるように、第一測定室２３内の酸素濃度の調整が行われる。

Ｉｐ２検知回路５５は、Ｉｐ２セル４の電極２８から電極２７に流れた電流Ｉｐ２の値の検知を行う回路である。Ｖｐ２印加回路５６は、Ｉｐ２セル４の電極２７，２８間へ通常電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加するための回路であり、第二測定室３０内から基準酸素室２９への酸素の汲み出しを制御する。

ヒータ駆動回路５９は、Ｉｐ１セル２，Ｖｓセル３，Ｉｐ２セル４の温度を所定の温度に保たせるための回路である。ヒータ駆動回路５９はマイクロコンピュータ６０によって制御され、ヒータ素子３５のヒータパターン３８へ電流を流し、Ｉｐ１セル２，Ｖｓセル３，Ｉｐ２セル４を加熱する。ヒータ駆動回路５９は、目標温度になるように、ヒータパターン３８をＰＷＭ通電してヒータパターン３８に電流を供給する制御を行うことができる。

マイクロコンピュータ６０は、公知のＣＰＵ６１，ＲＯＭ６３，ＲＡＭ６２，信号入出力部６４，およびＡ／Ｄコンバータ６５を備えた演算装置である。マイクロコンピュータ６０は、あらかじめ組み込まれたプログラムに従って制御回路部５０に制御信号を出力し、制御回路部５０が備える各回路の動作を制御する。ＲＯＭ６３には、各種プログラムと、プログラム実行時に参照される各種パラメータ等が記憶されている。マイクロコンピュータ６０は、内燃機関（図示外）の制御を司るＥＣＵ９０と、信号入出力部６４を介して通信するとともに、Ａ／Ｄコンバータ６５および信号入出力部６４を介して制御回路部５０と通信する。

コネクタ部７０は、端子７１〜７７を備える。コネクタ部７０が、コネクタ部４０と接続された場合、端子７１〜７７はそれぞれ、端子４１〜端子４７に接続される。端子７１は、リード線を介して、信号入出力部６４に接続している。端子７２は、リード線を介して、Ｉｐ１ドライブ回路５２に接続している。端子７３は、リード線を介して、基準電位に接続している。端子７４は、リード線を介して、Ｖｓ検知回路５３とＩｃｐ供給回路５４に接続している。端子７５は、リード線を介して、Ｉｐ２検知回路５５とＶｐ２印加回路５６に接続している。端子７６は、リード線を介して、ヒータ駆動回路５９に接続している。端子７７は、リード線を介して、接地している。

次に、排気ガス中の酸素濃度およびＮＯｘ濃度を検出する場合のガス濃度検出装置１の動作について説明する。排気通路（図示外）内を流通する排気ガスは、第一拡散抵抗部２４を介して第一測定室２３内に導入される。ここで、Ｖｓセル３には、Ｉｃｐ供給回路５４によって電極２２側から電極２１側へ微弱な電流Ｉｃｐが供給される。このため、排気ガス中の酸素は、負極側となる電極２１から酸素イオンとなって固体電解質体１３内を流れ、基準酸素室２９内の電極２２側へ移動する。つまり、電極２１，２２間に電流Ｉｃｐが供給されることによって、第一測定室２３内の酸素が基準酸素室２９内に送り込まれ、溜め込まれる。

Ｖｓ検知回路５３では、電極２１，２２間の電圧Ｖｓが検知される。検知された電圧Ｖｓは、基準電圧比較回路５１によって基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）と比較されて、その比較結果がＩｐ１ドライブ回路５２に対して出力される。Ｉｐ１ドライブ回路５２では、基準電圧比較回路５１による比較結果に基づいて、起電力Ｖｓが基準電圧となるようにＩｐ１セルの電極１７，１８間に流すポンプ電流Ｉｐ１の大きさや向きを制御する。ここで、電極２１，２２間の電位差が基準電圧付近で一定となるように、第一測定室２３内の酸素濃度を調整すれば、第一測定室２３内の排気ガス中の酸素濃度は所定の濃度Ｃ（例えば、０．００１ｐｐｍ）に近づくこととなる。

そこで、Ｉｐ１ドライブ回路５２では、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃより薄い場合、電極１７側が負極となるようにＩｐ１セル２にポンプ電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、検知素子１１外部から第一測定室２３内へ酸素の汲み入れが行われる。一方、第一測定室２３内に導入された排気ガスの酸素濃度が濃度Ｃよりも濃い場合、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電極１８側が負極となるようにＩｐ１セル２にポンプ電流Ｉｐ１を供給する。その結果、Ｉｐ１セル２では、第一測定室２３から検知素子１１の外部へ酸素の汲み出しが行われる。このときのポンプ電流Ｉｐ１がガスセンサ１０の酸素濃度出力（酸素濃度信号）としてマイクロコンピュータ６０に出力される。マイクロコンピュータ６０は、そのポンプ電流Ｉｐ１の値の大きさと向きから排気ガス中に含まれる酸素濃度、ひいては排気ガスの空燃比を検出し、ＥＣＵ９０に出力する。

第一測定室２３において酸素濃度が濃度Ｃとなるように調整された調整ガスは、第二拡散抵抗部２６を介し、第二測定室３０内に導入される。第二測定室３０内で電極２８と接触した調整ガス中のＮＯｘは、電極２８を触媒としてＮ_２とＯ_２に分解（還元）される。分解された酸素は、電極２８から電子を受け取り、酸素イオンとなって（解離して）固体電解質体１４内を流れ、基準酸素室２９内に移動する。このとき、固体電解質体１４を介して一対の電極２７，２８間に流れる電流Ｉｐ２の値が、ＮＯｘ濃度に対応しており、電流Ｉｐ２がガスセンサ１０のＮＯｘ濃度出力（ＮＯｘ濃度信号）としてマイクロコンピュータ６０に出力される。マイクロコンピュータ６０は、その電流Ｉｐ２の値の大きさから排気ガス中に含まれるＮＯｘ濃度を検出し、ＥＣＵ９０に出力する。

ところで、ガスセンサ１０の検知素子１１の出力特性（酸素濃度と濃度信号値の関係を表す特性）は個体差によるバラツキを生ずる。ガス濃度検出装置１は、検知素子１１の出力するポンプ電流Ｉｐ１の値と、事前に求められて記憶部４８に記憶された補正係数とを用いて、以下に説明する方法によって、補正酸素濃度を算出している。その後、補正酸素濃度の補正における演算の簡易化のため、従来、二次関数の曲線で表される出力特性を、一次関数の直線に近似させるための補正係数を、以下に説明する補正係数設定方法によって事前に求めている。

まず、検知素子１１の出力特性を一次関数の直線に近似させるための補正係数を導き出す手順について説明する。ガスセンサ１０の検知素子１１は、排気ガス中の酸素濃度に応じたポンプ電流Ｉｐ１を出力する。出力特性の補正を行う前に、本実施の形態では、ガスセンサ１０ごとの個体差によるゲインのバラツキを（１）式によって補正する。
ＳｅｎｓｏｒＯ_２＝（ポンプ電流Ｉｐ１の値）×（ゲイン補正値）×（１６［％］／２．５９［ｍＡ］）・・・（１）

「ＳｅｎｓｏｒＯ_２」は、個々のガスセンサ１０が出力するポンプ電流Ｉｐ１の値に基づく補正酸素濃度である。後述する補正係数は、演算の簡易化のため、酸素濃度１６％を基準とし、そのときに原点を通る一次関数の直線を求めることによって導き出される。例えば、酸素濃度が１６％であるとき、基準となるガスセンサ（ＭａｓｔｅｒＳｅｎｓｏｒ）が出力するポンプ電流Ｉｐ１の値は、２．５９ｍＡを示す。（１）式は、酸素濃度を１６％に調整した試料ガス中に補正対象のガスセンサ１０を晒した場合に得られる酸素濃度が、ガスセンサ１０の個体差によらず１６％となるように、ゲイン補正値を適用してポンプ電流Ｉｐ１の値のゲインを補正するものである。ゲイン補正値は、実際に、ガスセンサ１０を上記の酸素濃度を１６％に調整した試料ガス中に晒し、得られたポンプ電流Ｉｐ１の値に基づき、個々のガスセンサ１０ごとに算出する。基準のガスセンサの場合、ゲイン補正値は「１」である。

次に、任意の１つの補正酸素濃度を基準として、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、一次関数の直線に近似させるための補正係数を求める。上記したように、酸素濃度とポンプ電流Ｉｐ１の値との関係を示す関係線は、通常、二次関数の曲線で表されるため、ＳｅｎｓｏｒＯ_２を、原点を通り、任意の変数「ｘ」の二次関数として近似すると、（２）式のように表すことができる。ただし、ａ＜＜１、ｂ〜１とする。
ＳｅｎｓｏｒＯ_２＝ａｘ^２＋ｂｘ・・・（２）

また、ｘに依存する係数「ｃ（ｘ）」を考え、「ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２」を、原点を通る、ＳｅｎｓｏｒＯ_２の一次関数として近似すると、（３）式のように表すことができる。
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２＝ｃ（ｘ）・ＳｅｎｓｏｒＯ_２・・・（３）

（２）式を（３）式に代入し、（４）式を得る。
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２＝ｃ（ｘ）・（ａｘ^２＋ｂｘ）・・・（４）

ここで、ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を、係数を１とし、原点を通る変数ｘの一次関数と仮定して（５）式を得る。
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２＝ｘ・・・（５）

（４）式および（５）式より、

一方、ＳｅｎｓｏｒＯ_２を変形し、（２）式を代入すると、

（７）式を展開してｘを求めると、

（８）式を（６）式に代入し、（９）式を得る。

ここで、近似式「１＋α〜１＋α／２」を用いて（９）式を展開すると、

さらに、近似式「１／（１＋α）〜１−α」を用いて（１０）式を展開すると、

ａ＜＜１、ｂ〜１であることより、１〜１６ａ＋ｂとみなし、（１１）式を展開すると、

さらにａ＜＜１、ｂ〜１より、（１２）式を展開する。ただし、ｋ＝−ａ／ｂ^３とする。

（１３）式を（３）式に適用すると、
ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２＝｛ｋ（ＳｅｎｓｏｒＯ_２−１６）＋１｝・ＳｅｎｓｏｒＯ_２・・・（１４）

（１４）式を変形して、

（１５）式によれば、図２に示すように、補正酸素濃度（ＳｅｎｓｏｒＯ_２）が１６％のときを基準の補正酸素濃度としたため、原点を通り、傾きが「ｋ」である一次関数の直線が得られた。「ｋ」が、本実施の形態において求める補正係数である。ガスセンサ１０ごとに補正係数「ｋ」を求めれば、（１４）式より、ポンプ電流Ｉｐ１の値を個体差に応じたゲイン補正を行って求めた補正酸素濃度（ＳｅｎｓｏｒＯ_２）から、簡易な演算によって、ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を求めることができる。

そして、個々のガスセンサ１０の出力するＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を補正するには、基準となるガスセンサ（ＭａｓｔｅｒＳｅｎｓｏｒ）の出力により求められる酸素濃度と一致するように、補正係数ｋを求めればよい。具体的に、ガスセンサ１０の製造過程において、以下の手順にて、事前に、補正係数ｋを求め、記憶部４８に記憶する処理が行われる。

３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスをそれぞれ用意し、補正対象のガスセンサ１０を晒す。既知の酸素濃度は、ＭａｓｔｅｒＳｅｎｓｏｒによって測定される酸素濃度に基づくものである。各酸素濃度において、ガスセンサ１０の出力するポンプ電流Ｉｐ１の値を取得する（取得工程）。本実施の形態では、酸素濃度が７％、１６％、２０％の３点におけるポンプ電流Ｉｐ１の値を求めるものとする。

取得したポンプ電流Ｉｐ１の値を（１）式にそれぞれ代入し、補正酸素濃度（ＳｅｎｓｏｒＯ_２）を求める。（１５）式に基づき、「（ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２／ＳｅｎｓｏｒＯ_２｝−１」と、「ＳｅｎｓｏｒＯ_２−１６」とを軸とするグラフに上記の３点を仮にプロットした各点それぞれにもっとも近接する直線を求める。この直線は、具体的には、例えば最小二乗法など、公知の手段により算出すればよい。そして、得られた直線の傾きを、補正係数ｋとして算出する（算出工程）。

算出した補正係数ｋは、記憶部４８に記憶される（記憶工程）。また、（１）式のゲイン補正値も、記憶部４８に記憶される。上記の（１）式および（１４）式は、制御部５のマイクロコンピュータ６０が備えるＲＯＭ６３に記憶される（記憶工程）。

ガス濃度検出装置１が排気ガス中の酸素濃度の検出を行う際には、ＣＰＵ６１が、記憶部４８からゲイン補正値と補正係数ｋを読み込む。そして上記したように、ガスセンサ１０からポンプ電流Ｉｐ１を取得し、その値に基づき、（１）式でＳｅｎｓｏｒＯ_２を算出する。次いで、（１４）式に、求めたＳｅｎｓｏｒＯ_２と、補正係数ｋを代入し、ＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を算出する。求めたＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄＯ_２を、ＥＣＵ９０に対して出力する。

以上のように、本実施の形態のガス濃度検出装置１によれば、事前に設定された、酸素濃度の演算に用いる補正係数ｋによって、基準となる任意の１つの補正酸素濃度と他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を一次関数の直線に近似することができる。これにより、関係線が従来の二次関数の曲線によって示される場合と比べ、より、酸素濃度の検出精度を高くすることができる。特に低酸素濃度における検出精度を高めることができる。さらに、補正係数ｋを個々のガス濃度検出装置１（つまり、ガスセンサ１０）が有する記憶部４８に記憶させることで、個々のガスセンサ１０に応じた補正を行うことができ、酸素濃度の検出精度を高めることができる。また、酸素濃度を補正する演算を一次関数を用いて行うことができるので容易であり、ＣＰＵ６１にかかる負荷を低減することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更を加えてもよい。例えば、記憶部４８は、コネクタ部４０に設けたが、リード線の途中箇所など、ガスセンサ１０の任意の箇所に設けてもよい。あるいは、制御部５に記憶部を設けて補正係数ｋを記憶してもよいし、ＥＣＵ９０が記憶部を備えて補正係数ｋを記憶してもよい。このような場合、ガスセンサ１０に個体の識別番号等（例えば抵抗器を用いたラベル付けなど）を持たせ、制御部５あるいはＥＣＵ９０において、その識別番号にひも付けて、個々のガスセンサ１０の補正係数ｋを記憶すればよい。また、記憶部４８は、半導体記憶媒体に限らず、補正係数ｋを記憶可能な手段であればよい。例えば、記憶手段として固定抵抗器などを用い、マイクロコンピュータ６０のＲＯＭ６３に抵抗値と補正係数ｋの値とを関連付けるテーブルを保持し、読み取った抵抗値から補正係数ｋの値を求めてもよい。

また、上記実施の形態では、ＮＯｘセンサを例示しているが、ガス濃度検出装置１は、固体電解質体を用いて構成される２セル以上の種々のガスセンサ（例えば、全領域空燃比センサ）に適用可能である。

また、補正係数ｋを求めるため、事前にガスセンサ１０を晒した試料ガスの酸素濃度を、７％、１６％、２０％としたが、例えば１５％であっても１８％であってもよく、３以上の異なる酸素濃度であればよい。

１ガス濃度検出装置
２酸素ポンプセル
３酸素分圧検知セル
１０ガスセンサ
１１検知素子
１２，１３固体電解質体
１７，１８電極
２１，２２電極
２３第一測定室
４８記憶部
６１ＣＰＵ

Claims

固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、
前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段と、
前記演算手段が前記酸素濃度を演算する際に、前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、
を備えるガス濃度検出装置において、前記補正係数を利用可能に設定する上で事前に行われる設定方法であって、
少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得する取得工程と、
前記取得工程において取得された各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出した後、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための前記補正係数を算出する算出工程と、
前記算出工程によって算出された前記補正係数を前記記憶手段に記憶させる記憶工程と、
を備えることを特徴とするガス濃度検出装置の補正係数設定方法。
固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、
前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段と、
前記演算手段が前記酸素濃度を演算する際に、前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、
を備えるガス濃度検出装置であって、
前記補正係数は、事前に、少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得した上で、各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出し、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための係数であることを特徴とするガス濃度検出装置。
固体電解質体および当該固体電解質体を挟む一対の電極を有するセルを少なくとも２以上有し、当該セルとして、検出対象ガスが導入される測定室の内側と外側とに一対の第一電極が設けられ、当該一対の第一電極間に通電される電流に応じて前記測定室への酸素の汲み入れまたは汲み出しを行う酸素ポンピングセルと、一対の第二電極のうちの一方の電極が前記測定室に晒され、前記一対の第二電極間において前記測定室の酸素濃度に応じた電圧を発生する酸素濃度検出セルと、を備えるガスセンサ素子と、
前記酸素ポンピングセルに流された電流の電流値を補正するために用いる補正係数を記憶する記憶手段と、
からなり、
前記酸素濃度検出セルに発生する電圧に応じたフィードバック制御によって前記酸素ポンピングセルに流される電流に基づいて、検出対象ガスの酸素濃度を演算する演算手段に接続されるガスセンサであって、
前記補正係数は、事前に、少なくとも３以上の異なる既知の酸素濃度に設定されている試料ガスのそれぞれに前記ガスセンサ素子を晒し、各酸素濃度において、前記酸素ポンピングセルに流れる電流値を取得した上で、各酸素濃度に応じた電流値と、前記ガスセンサ素子の個体差によるバラツキを補正する補正値とにより補正酸素濃度を算出し、各補正酸素濃度のうちの、任意の１つの該補正酸素濃度を基準にして、他の２つの補正酸素濃度との関係を示す関係線を、直線に近似させるための係数であることを特徴とするガスセンサ。