JP2017116309A - 内燃機関のガス濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる内燃機関のガス濃度検出装置を提供する。【解決手段】ガス濃度検出装置において、ＳＣＵ４０は、ポンプセル２４６の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたポンプセル２４６の応答特性に基づきポンプセル２４６の素子抵抗を検出する。また、ＳＣＵ４０は、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レンジに応じた掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたセンサセル２４８及びモニタセル２４９の応答特性に基づきセンサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を検出する。【選択図】図２

Description

本発明は、内燃機関のガス濃度検出装置に関する。

内燃機関の排出ガス中から特定のガス成分の濃度を検出するためのガス濃度検出装置として、複数の検出セルを有するものが知られている。例えば特許文献１には、ポンプセル、センサセル、及びモニタセルの３セル構造を有し、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出するガス濃度センサが記載されている。このガス濃度センサのポンプセルでは、電極間に電圧を印加することでチャンバに導入した排気ガス中の酸素の排出または汲み込みが行われる。センサセルでは、電極間に電圧を印加することで、ガス中のポンプセルを通過したのちのガスから特定ガス成分の濃度としてＮＯｘ濃度が検出される。モニタセルでは、電極間に電圧を印加することで、チャンバ内の残留酸素濃度が検出される。

また、このようなガス濃度センサでは、セルに印加する電圧を一時的に切り替え（電圧掃引）、そのときの電圧変化及び電流変化から素子抵抗が算出される。この素子抵抗を素子温度の代替指標として用い、素子抵抗が目標素子抵抗になるようにヒータ制御を行うことで、素子温度を所望の温度に制御する温度制御が行われる。

特許第３７３６４４３号明細書

ところで、上記の複数の検出セルを有するガス濃度センサにおいて、各セルの素子温度をより緻密に制御するには、各々のセルの素子抵抗を検出し、複数の素子抵抗の情報を基にヒータ制御を最適に制御させることが望ましい。

一方、各セルが反応するガス成分や成分量によっては、各セルごとに検出される電流レベルが異なる傾向がある。例えばポンプセルはμＡオーダであるのに対して、センサセルやモニタセルはｎＡオーダである。素子抵抗の検出精度を担保させるためには、各々のセルに印加する電圧を個別に設定させる必要があり回路の複雑化、高コスト化を招いてしまう。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる内燃機関のガス濃度検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，４０，４０Ａ，４０Ｂ，６０，６０Ａ）は、酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８，２４８Ａ）が形成されており、前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、前記センサ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記濃度に応じた信号を出力すると共に、前記センサセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記センサセルの応答特性に基づき前記センサセルの素子抵抗を検出するセンサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８，６０６，６０３，６０７）と、を備える。

同様に、上記課題を解決するために、本発明に係る内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０Ｃ，６０）は、酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極（２５３）と、前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、前記モニタ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記モニタ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセル（２４９）が形成されており、前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８）が形成されており、前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、前記モニタ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、前記モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記モニタセルの応答特性に基づき前記モニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８，６０６，６０４，６０７）と、を備える。

本発明によれば、素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる内燃機関のガス濃度検出装置を提供することができる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置が適用されるエンジン排気系を模式的に示す図である。 図２は、図１に示されたＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図３は、図２のＩＩＩ−ＩＩＩ断面を示す断面図である。 図４は、図１のＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図５は、第１実施形態における素子抵抗検出処理を示すフローチャートである。 図６は、第１実施形態における素子抵抗検出処理を示すタイムチャートである。 図７は、本発明の第２実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図８は、第２実施形態における素子抵抗検出処理を示すフローチャートである。 図９は、第２実施形態における素子抵抗検出処理を示すタイムチャートである。 図１０は、第３実施形態におけるＮＯｘセンサの構成を模式的に示す図である。 図１１は、第１実施形態のＳＣＵの機能的な構成を第３実施形態のＮＯｘセンサに適用する場合のブロック図である。 図１１は、第２実施形態のＳＣＵの機能的な構成を第３実施形態のＮＯｘセンサに適用する場合のブロック図である。 図１３は、本発明の第４実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。 図１４は、本発明の第５実施形態におけるＳＣＵの機能的な構成を示すブロック図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。説明の理解を容易にするため、各図面において同一の構成要素に対しては可能な限り同一の符号を付して、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
図１〜図６を参照して第１実施形態について説明する。本発明の一実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、限界電流式のＮＯｘセンサ２４，３０を用い、エンジン排気系ＥＳを流れる内燃機関の排出ガス中の酸素（Ｏ₂）濃度を検出すると共に、特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ（窒素酸化物）濃度を検出する。

図１に示されるように、エンジン排気系ＥＳには、ＳＣＵ（Ｓｅｎｓｏｒ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）４０が設けられている。ＳＣＵ４０は、ＥＣＵ（Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ）１０とＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０を介して繋がっており、ＥＣＵ１０と情報通信を行っている。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０及びそれに繋がるエンジン排気系ＥＳを制御する装置である。ＥＣＵ１０は、ディーゼルエンジン２０の挙動を制御する機能を有している。ＥＣＵ１０は、アクセル開度及びエンジン回転速度に基づいて燃料噴射弁の開度を調整する。

エンジン排気系ＥＳには、ディーゼルエンジン２０側から順に、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と、ＳＣＲ（Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｃａｔａｌｙｔｉｃ Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ）触媒コンバータ２８と、が設けられている。ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、ディーゼル酸化触媒（ＤＯＣ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔ）２２１と、ディーゼルパティキュレートフィルタ（ＤＰＦ：Ｄｉｅｓｅｌ Ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒ）２２２と、を有している。

ディーゼル酸化触媒コンバータ２２は、排出ガスに含まれる有害物質を酸化又は還元により浄化するものであって、特に炭素などからなる粒子状物質（ＰＭ）を捕集する装置である。

ディーゼル酸化触媒２２１は、主としてセラミック製の担体と、酸化アルミニウム、二酸化セリウム及び二酸化ジルコニウムを成分とする酸化物混合物、並びに白金、パラジウム、ロジウムといった貴金属触媒で構成されている。ディーゼル酸化触媒２２１は、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物などを酸化させ浄化する。また、ディーゼル酸化触媒２２１は、触媒反応の際に発生する熱により排出ガス温度を上昇させる。

ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、多孔質セラミックに白金やパラジウムなどの白金族触媒が担持され、ハニカム構造体で形成される。ディーゼルパティキュレートフィルタ２２２は、排出ガス中に含まれる粒子状物質をハニカム構造体の隔壁に堆積させる。堆積した粒子状物質は、燃焼によって酸化され浄化される。この燃焼には、ディーゼル酸化触媒２２１における温度上昇や、添加剤による粒子状物質の燃焼温度低下が利用される。

ＳＣＲ触媒コンバータ２８は、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２の後処理装置としてＮＯｘを窒素と水に還元する装置であって、選択還元型の触媒であるＳＣＲ２８１を有する。ＳＣＲ２８１は、ゼオライト又はアルミナなどの基材表面にＰｔなどの貴金属を担持した触媒が例示できる。ＳＣＲ２８１は、触媒温度が活性温度域にあり、さらに、還元剤としての尿素が添加されているときにＮＯｘを還元浄化するものである。尿素添加のため、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の上流側には、尿素添加インジェクタ２６が設けられている。

本実施形態では、ディーゼル酸化触媒コンバータ２２と尿素添加インジェクタ２６との間にＮＯｘセンサ２４が、ＳＣＲ触媒コンバータ２８の下流側にＮＯｘセンサ３０がそれぞれ配置されている。

ＮＯｘセンサ２４で検出されるＮＯｘ濃度と、ＮＯｘセンサ３０で検出されるＮＯｘ濃度とに基づき尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ触媒コンバータ２８に対して添加される尿素の量が決定される。より具体的には、ＮＯｘセンサ２４においてＳＣＲ触媒コンバータ２８通過前の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度に基づいて添加する尿素の量が決定される。また、ＮＯｘセンサ３０においてＳＣＲ触媒コンバータ２８を通過した後の排出ガスから検出されるＮＯｘ濃度が極力小さい値となるようにフィードバックし、添加する尿素の量を補正する。このように決定された量の尿素が、尿素添加インジェクタ２６からＳＣＲ２８１に対して添加されることで、ＳＣＲ２８１において排出ガス中のＮＯｘが適正に還元される。このように、排出ガスに含まれる炭化水素、一酸化炭素、窒素酸化物は、ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０を通過した後、テールパイプ（不図示）から外部に排出される。

ＮＯｘセンサ２４及びＮＯｘセンサ３０が出力する電流は、ＳＣＵ４０が検出している。ＳＣＵ４０は、ＮＯｘセンサ２４，３０から検出した電流値からＮＯｘ濃度の算出や上記の尿素添加インジェクタ２６の制御などを行い、必要なデータをＥＣＵ１０に送信している。ＥＣＵ１０及びＳＣＵ４０は、ＣＡＮ（Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）バス５０に繋がっており、ＣＡＮバス５０を介して情報通信を行っている。

ＳＣＵ４０は、ＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ、入出力ポート、及び記憶装置を含むものである。ＮＯｘセンサ２４とＮＯｘセンサ３０とは同一の構成であるため、ＮＯｘセンサ２４を例にとってその構成を説明し、併せてＳＣＵ４０の構成についても説明する。

図２及び図３に示されるように、ＮＯｘセンサ２４は、第１本体部２４１ａと、第２本体部２４１ｂと、固体電解質体２４４と、拡散抵抗体２４５と、ポンプ電極２５１と、ヒータ２４７と、センサ電極２５２と、モニタ電極２５３と、共通電極２５０と、を備えている。

ポンプ電極２５１と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、排気ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル２４６が形成されている。モニタ電極２５３と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における酸素濃度を検出するモニタセル２４９が形成されている。センサ電極２５２と共通電極２５０と固体電解質体２４４の一部とによって、センサ電極２５２と共通電極２５０との間に流れる酸素イオン電流に基づいて測定室２４２における所定のガス成分の濃度（ＮＯｘ濃度）を検出するためのセンサセル２４８が形成されている。

固体電解質体２４４は板状の部材であって、酸化ジルコニア等の酸素イオン伝導性固体電解質材料によって構成されている。第１本体部２４１ａと第２本体部２４１ｂとは、固体電解質体２４４を挟んで配置されている。第１本体部２４１ａには、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は測定室２４２（ガス室）として機能している。測定室２４２の一側面は開放されており、その開放された一側面に拡散抵抗体２４５が配置されている。拡散抵抗体２４５は、多孔質材料又は細孔が形成された材料からなっている。拡散抵抗体２４５の作用により、測定室２４２内に引き込まれる排出ガスの速度が律せされる。測定室２４２は、固体電解質体２４４の第１主面２４４ａの側に形成されて排出ガスが導入される。

第２本体部２４１ｂにも、固体電解質体２４４側から後退するように設けられた凹部が形成されており、その凹部は大気室２４３（基準ガス室）として機能している。大気室２４３の一側面は開放されている。固体電解質体２４４側から大気室２４３内に引き込まれる気体は大気に放出される。大気室２４３は、固体電解質体２４４の第２主面２４４ｂの側に形成されて基準ガスが導入される。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面（第１主面２４４ａ）であって、拡散抵抗体２４５側には陰極側となるポンプ電極２５１が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面（第２主面２４４ｂ）であって、ポンプセル２４６と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。共通電極２５０は、センサ電極２５２及びモニタ電極２５３と対応する領域までカバーするように設けられている。

ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、測定室２４２内の排出ガス中に含まれる酸素が陰極側のポンプ電極２５１に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。

なお、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧が高いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は多くなる。逆にポンプセル２４６と共通電極２５０との間に印加する電圧が低いほど、ポンプセル２４６によって排出ガス中から排出される酸素の量は減る。従って、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間に印加する電圧を増減することで、後段のセンサセル２４８及びモニタセル２４９に流れる排出ガス中の残留酸素の量を増減させることができる。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるモニタ電極２５３が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、モニタ電極２５３と対応する位置に陽極側となる共通電極２５０が設けられている。

モニタセル２４９は、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に残留する酸素濃度を検出する。モニタ電極２５３と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、ポンプセル２４６によって酸素が排出された排出ガス中に含まれる残留酸素が陰極側のモニタ電極２５３セル２４９に接触して酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６（図４を参照しながら後述する）により電流Ｉｍとして検出され、この電流Ｉｍに基づいて、排出ガス中の残留酸素濃度を算出し得る。

固体電解質体２４４の測定室２４２側に臨む面であって、ポンプ電極２５１を挟んで拡散抵抗体２４５とは反対側（ポンプ電極２５１よりもガスの流れ方向の下流側）には陰極側となるセンサ電極２５２が設けられている。固体電解質体２４４の大気室２４３に臨む面であって、センサ電極２５２と対応する位置に陽極側となる共通電極が設けられている。

センサ電極２５２は、Ｐｔ−Ｒｈ合金（白金−ロジウム合金）からなり、ＮＯｘに対して強い還元性を有している。センサ電極２５２に接触したＮＯｘは、Ｎ₂とＯ₂とに還元分解される。センサ電極２５２と共通電極２５０との間に電圧が印加されると、分解されたＯ₂は、陰極側のセンサ電極２５２から電荷を受け取って酸素イオンとなる。この酸素イオンは、陽極側の共通電極２５０に向かって固体電解質体２４４内を流れ、共通電極２５０において電荷を放出して酸素となり、大気室２４３から大気中に排出される。この際の電荷は、第１センサセル検出回路４０３及び第２センサセル検出回路４０４（図４を参照しながら後述する）により電流Ｉｓとして検出され、この電流Ｉｓに基づいて、排出ガス中のＮＯｘの濃度及び残留酸素濃度を算出し得る。

ここで、ポンプセル２４６と、モニタセル２４９及びセンサセル２４８とは、各セルごとに検出される電流レベルが異なる傾向がある。モニタセル２４９及びセンサセル２４８は、基本的にはポンプセル２４６により酸素を排出された後の排出ガス中の酸素濃度及びＮｏｘ濃度に応じた電流値を出力するため、ポンプセル２４６と比較して検出される電流レベルが相対的に小さい。ポンプセル２４６により検出される電流レベル（以下「検出レベル」ともいう）は例えばμＡオーダであるのに対して、モニタセル２４９及びセンサセル２４８の検出レベルは例えばｎＡオーダである。

ＳＣＵ４０は、上記のような構成のＮＯｘセンサ２４，３０の動作を制御する。ＳＣＵ４０は、センサ電極２５２と共通電極２５０との間に所定電圧を印加して、ポンプセル２４６によって酸素が排出された後の排出ガス中に含まれるＮＯｘ及び残留酸素の濃度を検出する「濃度検出モード」で主にＮＯｘセンサ２４，３０を作動させる。ＳＣＵ４０は、この濃度検出モードの実行中に所定のタイミングで、素子温度推定に用いる素子抵抗を検出する「素子抵抗検出モード」を実行する。ＳＣＵ４０は、素子抵抗検出モードにて検出したポンプセル２４６、モニタセル２４９、センサセル２４８の素子抵抗に基づき各セルの素子温度を推定し、推定された素子温度が設定温度になるようにヒータ２４７を用いて温度制御を行うことができる。

ＳＣＵ４０は、その一部又は全部が、アナログ回路で構成されるか、メモリを備えたデジタルプロセッサとして構成される。いずれにしても、受信した電気信号に基づいて制御信号を出力する機能を果たすため、ＳＣＵ４０には機能的な制御ブロックが構成される。図４は、ＳＣＵ４０を、このような機能的な制御ブロック図として示したものである。

続いて、ＳＣＵ４０の機能的な構成要素について説明する。ＳＣＵ４０は、ヒータ駆動回路４０１と、ポンプセル検出回路４０２と、第１センサセル検出回路４０３（第１検出回路）と、第２センサセル検出回路４０４（第２検出回路）と、第１モニタセル検出回路４０５（第１検出回路）と、第２モニタセル検出回路４０６（第２検出回路）と、共通電極電圧印加部４０７と、マイコン４０８と、ＣＡＮドライバ４０９と、を備えている。

ヒータ駆動回路４０１は、ヒータ２４７に印加する電圧を制御し、ヒータ２４７の発熱量を制御する部分である。

ポンプセル検出回路４０２は、ポンプセル２４６が出力する電流Ｉｐを検出する部分である。ポンプセル検出回路４０２は、検出した電流Ｉｐを示す信号をマイコン４０８に出力する。

第１センサセル検出回路４０３及び第２センサセル検出回路４０４は、センサセル２４８が出力する電流Ｉｓを検出する部分である。第１センサセル検出回路４０３と、第２センサセル検出回路４０４は、検出した電流Ｉｓを示す信号をマイコン４０８に出力する。第１センサセル検出回路４０３は、上記の濃度検出モードの際に用いられ、第２センサセル検出回路４０４は、上記の素子抵抗検出モードの際に用いられる。第２センサセル検出回路４０４は、電流Ｉｓの検出レンジが第１センサセル検出回路４０３のものと比較して相対的に大きく、より広い範囲で電流Ｉｓを検出できるように設定されている（図６参照）。このため、第２センサセル検出回路４０４は、第１センサセル検出回路４０３と比べて分解能が低くなり、電流Ｉｓの検出精度が相対的に低いものとなっている。素子抵抗検出モード用の検出レンジは、濃度検出用のものより広く設定されているため、以降では素子抵抗検出モード用の検出レンジを「拡大レンジ」とも表記し、濃度検出モード用の検出レンジを「狭レンジ」とも表記する。

第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６は、モニタセル２４９が出力する電流Ｉｍを検出する部分である。第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６は、検出した電流Ｉｍを示す信号をマイコン４０８に出力する。第１モニタセル検出回路４０５は、上記の濃度検出モードの際に用いられ、第２モニタセル検出回路４０６は、上記の素子抵抗検出モードの際に用いられる。第２モニタセル検出回路４０６は、電流Ｉｍの検出レンジが第１モニタセル検出回路４０５のものと比較して相対的に大きく、より広い範囲で電流Ｉｍを検出できるように設定されている（図６参照）。このため、第２モニタセル検出回路４０６は、第１モニタセル検出回路４０５と比べて分解能が低くなり、電流Ｉｍの検出精度が相対的に低いものとなっている。なお、上述のように、モニタセル２４９及びセンサセル２４８の検出レベルはポンプセル２４６のものより相対的に小さいので、第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５にて用いる濃度検出モード用の検出レンジ（狭レンジ）は、ポンプセル検出回路４０２の検出レンジより相対的に狭く設定されている（図６参照）。

共通電極電圧印加部４０７は、共通電極２５０に電圧を印加する部分である。共通電極電圧印加部４０７は、上記の濃度検出モードの際には、ポンプセル２４６による酸素汲み出し（ポンピング）制御、モニタセル２４９及びセンサセル２４８による濃度検出制御に応じて印加電圧を適宜設定する。また、共通電極電圧印加部４０７は、素子抵抗検出モードの際には、この印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶでステップ状に増減させる掃引電圧を印加する。

マイコン４０８は、ＳＣＵ４０内の制御部である。マイコン４０８は、ヒータ駆動回路４０１にヒータ２４７の温度を制御するための制御信号を出力する。マイコン４０８は、濃度検出モードの際に、第１センサセル検出回路４０３が検出した電流Ｉｓ及び第１モニタセル検出回路４０５が検出した電流Ｉｍに基いて、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０８は、センサセル２４８の出力電流Ｉｓからモニタセル２４９の出力電流Ｉｍを減算することで、センサセル２４８の検出した排出ガス中の残留酸素濃度による電流値を除き、排出ガス中のＮＯｘ濃度を算出する。マイコン４０８は、算出したＮＯｘ濃度を示す信号をＣＡＮドライバ４０９に出力する。また、マイコン４０８は、素子抵抗検出モードの際に、掃引電圧の印加に応じて検出される各セルの出力電流の変化幅ΔＩｐ，ΔＩｓ，ΔＩｍと、掃引電圧の変化幅ΔＶに基づいて、各セルの素子抵抗を算出する。この算出処理については図５及び図６を参照して後述する。

ＣＡＮドライバ４０９は、マイコン４０８が出力する信号をＣＡＮバス５０に送信し、ＣＡＮバス５０から受信する信号をマイコン４０８に出力する。

第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４，３０と、ＳＣＵ４０と、ＥＣＵ１０とを備えるものである。

第１実施形態では、ＳＣＵ４０の共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８が、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８が、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に対応する。

次に、図５及び図６を参照して第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の動作について説明する。図６のタイムチャートは、ガス濃度検出装置の濃度検出モード、素子抵抗検出モード（素子低温時）、素子抵抗検出モード（素子高温時）における（ａ）共通電極２５０への印加電圧Ｖ（図６中では「ＣＯＭ＋」と表記）と、（ｂ）ポンプセル２４６が出力する電流Ｉｐ（図６中には「Ｐ−」と表記）と、（ｃ）センサセル２４８及びモニタセル２４９が出力する電流Ｉｓ，Ｉｍ（図６中には「Ｓ−、Ｍ−」と表記）を示す。各項目（ａ）〜（ｃ）の横軸は時間を表す。図５のフローチャートは、図６のタイムチャートのうち素子抵抗検出モードの処理の手順を示す。図５のフローチャートは、ＳＣＵ４０のマイコン４０８により、例えば所定周期ごとに実施される。以下、図６のタイムチャートを参照しつつ、図５のフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ１０１では、電圧印加実施条件が成立しているか否かが判定される。電圧印加実施条件とは、素子抵抗検出モードを実施可能な状態を示す条件であり、具体的には、マイコン４０８が、素子抵抗検出モードを実施可能な状態に設定する旨の指令をＥＣＵ１０から受信していることを条件として設定することができる。ステップＳ１０１の判定の結果、電圧印加実施条件が成立している場合にはステップＳ１０２に進み、そうでない場合には本制御フローを終了する。

ステップＳ１０２では、ステップＳ１０１の判定の結果、素子抵抗検出モードを実施可能な状態であるので、まず、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流検出回路が拡大レンジに切り替えられる。具体的には、マイコン４０８が、センサセル２４８の電流Ｉｓを検出するための回路を第１センサセル検出回路４０３から第２センサセル検出回路４０４に切り替え、モニタセル２４９の電流Ｉｍを検出するための回路を第１モニタセル検出回路４０５から第２モニタセル検出回路４０６に切り替える。

図６のタイムチャートでは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において、ステップＳ１０２の電流検出回路の切り替えが行われ、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レンジが狭レンジから拡大レンジに変更されている。ステップＳ１０２の処理が完了するとステップＳ１０３に進む。

ステップＳ１０３では、共通電極２５０に電圧印加幅ΔＶの掃引電圧が印加される。図６のタイムチャートでは、時刻ｔ１及び時刻ｔ３において通常時の共通電極への印加電圧からΔＶだけステップ状に増加させ、所定時間経過後に印加電圧からΔＶだけ減少した値までステップ状に減少させ、さらに所定時間経過後に当所の印加電圧までステップ状に戻る電圧変化が掃引電圧として印加されている。ステップＳ１０３の処理が完了するとステップＳ１０４に進む。

ステップＳ１０４では、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍが取得される。マイコン４０８は、ポンプセル検出回路４０２を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｐの変動量である電流変化幅ΔＩｐを取得する。同様に、マイコン４０８は、第２センサセル検出回路４０４を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｓの変動量である電流変化幅ΔＩｓを取得する。同様に、マイコン４０８は、第２モニタセル検出回路４０６を介して、掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｍの変動量である電流変化幅ΔＩｍを取得する。ステップＳ１０４の処理が完了するとステップＳ１０５に進む。

図６の例では、時刻ｔ１〜ｔ２の区間において素子温度が低温のときの、変化幅ΔＶの掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。また、時刻ｔ３〜ｔ４の区間において素子温度が高温のときの、変化幅ΔＶの掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図６に示すように、同一の掃引電圧の印加があった場合に、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍは、素子高温時のほうが低温時よりもすべて大きくなる傾向がある。第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６の拡大レンジは、素子高温時（例えば活性温度）の電流Ｉｓ及びＩｍの最大値を包含できる程度に広く設定されている。

ステップＳ１０５では、電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶよりポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の交流抵抗値が計算される。マイコン４０８は、例えば電圧変化幅ΔＶを電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍで除算することにより、各セルの素子抵抗を算出できる。マイコン４０８は、算出したポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の素子抵抗に基づき、各セルの素子温度を推定し、推定した素子温度に基づきヒータを用いた温度制御を行う。ステップＳ１０５の処理が完了するとステップＳ１０６に進む。

ステップＳ１０６では、素子抵抗検出モードが終了したので、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流検出回路が拡大レンジから通常レンジに切り替えられる。具体的には、マイコン４０８が、センサセル２４８の電流Ｉｓを検出するための回路を第２センサセル検出回路４０４から第１センサセル検出回路４０３に切り替え、モニタセル２４９の電流Ｉｍを検出するための回路を第２モニタセル検出回路４０６から第１モニタセル検出回路４０５に切り替える。

図６のタイムチャートでは、時刻ｔ２及び時刻ｔ４において、ステップＳ１０６の電流検出回路の切り替えが行われ、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レンジが拡大レンジから狭レンジに変更されている。ステップＳ１０６の処理が完了すると本制御フローを終了する。

次に、第１実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の効果について説明する。

第１実施形態のガス濃度検出装置は、内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル２４６と、測定室２４２においてポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル２４８と、測定室２４２においてポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから酸素濃度を検出するためのモニタセル２４９と、を備える。共通電極２５０は、ポンプ電極２５１、センサ電極２５２、及び、モニタ電極２５３のそれぞれと対向配置するよう設けられ、これらの組み合わせによって、ポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９が形成されている。ポンプセル制御部としてのＳＣＵ４０の共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８は、ポンプ電極２５１と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて排出ガス中の酸素濃度を調整すると共に、ポンプセル２４６の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたポンプセル２４６の応答特性に基づきポンプセル２４６の素子抵抗を検出する。センサセル制御部としての共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８は、センサ電極２５２と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて特定ガス成分の濃度に応じた信号を出力すると共に、センサセル２４８の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたセンサセル２４８の応答特性に基づきセンサセル２４８の素子抵抗を検出する。モニタセル制御部としての共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８は、モニタ電極２５３と共通電極２５０との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、モニタセル２４９の検出レンジに対応する掃引電圧の共通電極２５０への印加に応じたモニタセル２４９の応答特性に基づきモニタセル２４９の素子抵抗を検出する。

この構成により、ポンプセル２４６と比較して検出レベルが小さいセンサセル２４８及びモニタセル２４９を備え、かつ、これらのセルに対応する共通電極２５０を備えるＮＯｘセンサ２４，３０の構成において、ポンプセル２４６の検出レベル及び検出レンジを考慮して構成されるポンプセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８）と、センサセル２４８及びモニタセル２４９の検出レベル及び検出レンジを考慮して構成されるセンサセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８）、及び、モニタセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８）と、が併用される。これにより、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの掃引電圧に対する電流の応答特性が各セルの検出レンジに適切に収まるように検出でき、この応答特性応じて各セルの素子抵抗を個別に検出することができる。すなわち、素子抵抗検出モードにおいて、ポンプセル２４６とセンサセル２４８及びモニタセル２４９との間の検出レベルの差異の影響によらず、各セルの素子抵抗を高精度に検出できる。また、検出レベルや検出レンジの異なるポンプセル２４６とセンサセル２４８及びモニタセル２４９とを別の検出回路を用いて電流を検出するので、濃度検出モードにおいても各セルの濃度検出精度を良好にできる。この結果、第１実施形態のガス濃度検出装置は、ガス濃度の検出精度を維持しつつ、素子温度を計測するために用いる素子抵抗の検出精度を向上できる。

また、第１実施形態のガス濃度検出装置において、ポンプセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８）、センサセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８）、及び、モニタセル制御部（共通電極電圧印加部４０７、第１モニタセル検出回路４０５、第２モニタセル検出回路４０６、マイコン４０８）は、共通電極２５０に同一の掃引電圧ΔＶを印加することによりポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９により計測される電流変化幅ΔＩｐ、ΔＩｓ、ΔＩｍを用いて素子抵抗を算出する。また、センサセル制御部及びモニタセル制御部は、特定ガス成分の濃度を検出する濃度検出モードにおいて電流値Ｉｓ、Ｉｍを計測する第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５と、素子抵抗を検出する素子抵抗検出モードにおいて電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍを計測し、電流値の検出レンジが第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５より広く設定される第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６と、を有する。すなわち第１実施形態では、同一の掃引電圧ΔＶの印加に応じた各セルの応答特性を検出する検出回路の検出レンジを、セルごとに調整することによって、素子抵抗検出モードにおける掃引電圧をポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの検出レンジに対応するものとしている。

この構成により、センサセル２４８及びモニタセル２４９の出力電流値が比較的小さい濃度検出モードでは、検出レンジが狭い第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を用いて電流値を検出することで分解能を高めてガス濃度の検出精度を維持できる。また、掃引電圧の印加によりセンサセル２４８及びモニタセル２４９の出力電流値が比較的大きくなる素子抵抗検出モードでは検出レンジが広い第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６を用いて電流値を検出することで、電流値の極大値が検出レンジを超えて計測できない状況が生じるのを回避でき、これにより素子抵抗の検出精度を向上できる。

なお、第１実施形態では、濃度検出モードから素子抵抗検出モードに切り替える際に、第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を共に、検出レンジが広い第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６に強制的に切り替える構成を例示したが、この代わりに、検出される電流値が第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５の検出レンジ（狭レンジ）を超えないときは第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５を継続して使用し、検出される電流値が第１センサセル検出回路４０３及び第１モニタセル検出回路４０５の検出レンジ（狭レンジ）を超えた場合にのみ第２センサセル検出回路４０４及び第２モニタセル検出回路４０６切り替える構成としてもよい。

［第２実施形態］
図７〜図９を参照して第２実施形態について説明する。第２実施形態は、ＳＣＵ６０の構成が第１実施形態と異なる。

図７に示すように、第２実施形態のＳＣＵ６０は、ヒータ駆動回路６０１と、ポンプセル検出回路６０２と、センサセル検出回路６０３と、モニタセル検出回路６０４と、第１電圧印加部６０５と、第２電圧印加部６０６と、マイコン６０７と、ＣＡＮドライバ６０８と、を備えている。

ヒータ駆動回路６０１と、ポンプセル検出回路６０２、センサセル検出回路６０３と、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７と、ＣＡＮドライバ６０８は、第１実施形態のヒータ駆動回路４０１、ポンプセル検出回路４０２、第１センサセル検出回路４０３、第１モニタセル検出回路４０５、マイコン４０８、ＣＡＮドライバ４０９、とそれぞれ対応する。

第１電圧印加部６０５及び第２電圧印加部６０６は、第１実施形態の共通電極電圧印加部４０７と同様に、共通電極２５０に電圧を印加する部分である。ただし、第１電圧印加部６０５及び第２電圧印加部６０６は、素子抵抗検出モードの際に共通電極２５０に印加する掃引電圧の種類が異なる。第１電圧印加部６０５は、印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶ１でステップ状に増減させる掃引電圧（第１の掃引電圧）を印加する。この電圧印加幅ΔＶ１は、図９に示すように、掃引電圧に応じた出力されるポンプセル２４６の出力電流Ｉｐの変動幅ΔＩｐが、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まる程度に設定される。

同様に、第２電圧印加部６０６は、印加電圧を所定の電圧印加幅ΔＶ２でステップ状に増減させる掃引電圧（第２の掃引電圧）を印加する。この電圧印加幅ΔＶ２は、図９に示すように、掃引電圧に応じた出力されるセンサセル２４８の出力電流Ｉｓの変動幅ΔＩｓ、及び、モニタセル２４９の出力電流Ｉｍの変動幅ΔＩｍが、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まる程度に設定される。

第２実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４，３０と、ＳＣＵ６０と、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、第２実施形態では、ＳＣＵ６０の第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７が、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に対応する。

次に、図８及び図９を参照して第２実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置の動作について説明する。図９のタイムチャートの構成は、図６のタイムチャートと同様である。図８のフローチャートは、図９のタイムチャートのうち素子抵抗検出モードの処理の手順を示す。図８のフローチャートは、ＳＣＵ６０のマイコン６０７により、例えば所定周期ごとに実施される。

以下、図９のタイムチャートを参照しつつ、図８のフローチャートに沿って説明する。なお、ステップＳ２０１の処理は図５のステップＳ１０１の処理と同様であるので説明を省略する。

ステップＳ２０２では、ステップＳ２０１の判定の結果、素子抵抗検出モードを実施可能な状態であるので、まず、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６であるか否かが判定される。マイコン６０７は、例えば、素子抵抗検出モードを所定のタイミングごとに実行すると共に、ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードと、センサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモードとを交互に、または、所定回数ごとに切り替えて実行することができる。本ステップでは、マイコン６０７は、今回の処理フローで実行する素子抵抗検出モードが、ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードであるか場合に、「交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６である」と判断する。ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６である場合にはステップＳ２０３に進み、そうでない場合にはステップＳ２０６に進む。

ステップＳ２０３では、ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６であるので、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧が印加される。マイコン６０７は、共通電極２５０に電圧を印加する回路を第１電圧印加部６０５に切り替える。ステップＳ２０３の処理が完了するとステップＳ２０４に進む。

図９のタイムチャートでは、時刻ｔ１〜ｔ２の区間において、ステップＳ２０３の第１電圧印加部６０５への切り替えが行われ、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧が印加されている。なお、この電圧変化幅ΔＶ１は、計測対象であるポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐがポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まる程度に設定されている。

ステップＳ２０４では、ポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐが取得される。マイコン６０７は、ポンプセル検出回路６０２を介して、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｐの変動量である電流変化幅ΔＩｐを取得する。ステップＳ２０４の処理が完了するとステップＳ２０５に進む。

図９の例では、時刻ｔ１〜ｔ２の区間においてポンプセル２４６の素子抵抗を検出するモードにおける、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図９の例では、このとき、計測対象であるポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐは、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに収まっており、一方、電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧に応じて出力されるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍは、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジを超過している。

ステップＳ２０５では、電流変化幅ΔＩｐと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶ１よりポンプセル２４６の交流抵抗値が計算される。マイコン６０７は、例えば電圧変化幅ΔＶ１を電流変化幅ΔＩｐで除算することにより、ポンプセル２４６の素子抵抗を算出できる。ステップＳ２０５の処理が完了すると本制御フローを終了する。

ステップＳ２０６では、ステップＳ２０２の判定の結果、交流抵抗を検出する検出セルがポンプセル２４６ではなく、センサセル２４８及びモニタセル２４９であるので、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧が印加される。マイコン６０７は、共通電極２５０に電圧を印加する回路を第２電圧印加部６０６に切り替える。ステップＳ２０６の処理が完了するとステップＳ２０７に進む。

図９のタイムチャートでは、時刻ｔ３〜ｔ４の区間において、ステップＳ２０６の第２電圧印加部６０６への切り替えが行われ、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧が印加されている。なお、この電圧変化幅ΔＶ２は、計測対象であるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍがセンサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まる程度に設定されている。また、この電圧変化幅ΔＶ２は、図９に示すように、ポンプセル２４６の素子抵抗検出用の電圧変化幅ΔＶ１より小さい。

ステップＳ２０７では、センサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍが取得される。マイコン６０７は、センサセル検出回路６０３を介して、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｓの変動量である電流変化幅ΔＩｓを取得する。同様に、マイコン４０８は、モニタセル検出回路６０４を介して、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じた電流Ｉｍの変動量である電流変化幅ΔＩｍを取得する。ステップＳ２０７の処理が完了するとステップＳ２０８に進む。

図９の例では、時刻ｔ３〜ｔ４の区間においてセンサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモードにおける、電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧の印加に応じたポンプセル２４６、センサセル２４８、モニタセル２４９の電流Ｉｐ，Ｉｓ、Ｉｍの応答が示される。図９の例では、このとき、計測対象であるセンサセル２４８及びモニタセル２４９の電流変化幅ΔＩｓ，ΔＩｍは、センサセル検出回路６０３及びモニタセル検出回路６０４の検出レンジに収まっており、一方、ポンプセル２４６の電流変化幅ΔＩｐは、ポンプセル検出回路６０２の検出レンジに対して極端に小さくなっている。

ステップＳ２０８では、電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍと掃引電圧の電圧変化幅ΔＶ２よりセンサセル２４８及びモニタセル２４９の交流抵抗値が計算される。マイコン６０７は、例えば電圧変化幅ΔＶ２を電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍで除算することにより、センサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を算出できる。ステップＳ２０８の処理が完了すると本制御フローを終了する。

第２実施形態のガス濃度検出装置も、第１実施形態と同様に、ＳＣＵ４０の第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、内燃機関の排出ガス中の酸素濃度を調整するポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部として機能し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度に応じた信号を出力するセンサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部として機能し、第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７が、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから酸素濃度に応じた信号を出力するモニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部として機能する。したがって、第２実施形態のガス濃度検出装置は、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

また、第２実施形態のガス濃度検出装置において、ポンプセル制御部（第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０８）は、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１の掃引電圧を印加することにより、ポンプセル２４６により計測される電流変化幅ΔＩｐを用いてポンプセル２４６の素子抵抗を算出する。センサセル制御部（第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７）、及び、モニタセル制御部（第２電圧印加部６０６、モニタセル検出回路６０４、マイコン６０７）は、共通電極２５０に電圧変化幅ΔＶ１より小さい電圧変化幅ΔＶ２の掃引電圧を印加することにより、センサセル２４８及びモニタセル２４９により計測される電流変化幅ΔＩｓ、ΔＩｍを用いてセンサセル２４８及びモニタセル２４９の素子抵抗を算出する。すなわち第２実施形態では、ポンプセル２４６と、センサセル２４８及びモニタセル２４９とに、それぞれ異なる電圧変化幅ΔＶ１，ΔＶ２の掃引電圧を印加することによって、素子抵抗検出モードにおける掃引電圧をポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９の各セルの検出レンジに対応するものとしている。

この構成により、第１実施形態と同様に、電流値の極大値が検出レンジを超えて計測できない状況が生じるのを回避できるので、第２実施形態のガス濃度検出装置も、第１実施形態と同様に、素子抵抗の検出精度を向上できるという効果を奏することができる。

［第３実施形態］
図１０〜図１２を参照して第３実施形態について説明する。第３実施形態は、ＮＯｘセンサのセルの構成が第１、第２実施形態と異なる。図１０に示すように、第３実施形態のＮＯｘセンサ２４Ａは、ポンプセル２４６の後段に設置されるセルが、単一のセンサセル２４８Ａである。センサセル２４８Ａは、ポンプセル２４６を通過した後の排出ガスから特定のガス成分の濃度を検出する。

第３実施形態において、ＮＯｘセンサ２４Ａを第１実施形態と同様に制御する場合には、図１１に示すように、ＳＣＵ４０Ａは、第１実施形態のＳＣＵ４０と比較して、第１モニタセル検出回路４０５及び第２モニタセル検出回路４０６を備えない構成となる。この場合、第３実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４Ａと、ＳＣＵ４０Ａと、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、ＳＣＵ４０Ａの共通電極電圧印加部４０７、ポンプセル検出回路４０２、マイコン４０８が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、共通電極電圧印加部４０７、第１センサセル検出回路４０３、第２センサセル検出回路４０４、マイコン４０８が、「センサセル２４８Ａの素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応する。

同様に、第３実施形態において、ＮＯｘセンサ２４Ａを第２実施形態と同様に制御する場合には、図１２に示すように、ＳＣＵ６０Ａは、第１実施形態のＳＣＵ６０と比較して、モニタセル検出回路６０４を備えない構成となる。この場合、第３実施形態に係る内燃機関のガス濃度検出装置は、ＮＯｘセンサ２４Ａと、ＳＣＵ６０Ａと、ＥＣＵ１０とを備えるものである。また、ＳＣＵ６０Ａの第１電圧印加部６０５、ポンプセル検出回路６０２、マイコン６０７が、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」に対応し、第２電圧印加部６０６、センサセル検出回路６０３、マイコン６０７が、「センサセル２４８Ａの素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に対応する。

したがって、第３実施形態のガス濃度検出装置も、第１、第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びセンサセル制御部として機能する要素を備えるので、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

［第４実施形態］
図１３を参照して第４実施形態について説明する。第４実施形態は、ＳＣＵ４０Ｂの構成が第１実施形態と異なる。

図１３に示すように、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂは、第１実施形態のＳＣＵ４０の構成要素のうち第２モニタセル検出回路４０６を備えていない。第４実施形態は、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９を有するＮＯｘセンサ２４，３０のためのガス濃度検出装置として機能する点では第１実施形態と共通する。しかし、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂは、第１実施形態のＳＣＵ４０の機能のうち、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」と、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」を備える一方で、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」に関する機能を備えていない。

なお、第４実施形態のＳＣＵ４０Ｂと同等の機能を第２実施形態のＳＣＵ６０によっても実現することができる。

したがって、第４実施形態のガス濃度検出装置も、第１，第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びセンサセル制御部として機能する要素を備えるので、第１〜第３実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

［第５実施形態］
図１４を参照して第５実施形態について説明する。第５実施形態は、ＳＣＵ４０Ｃの構成が第１実施形態と異なる。

図１４に示すように、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃは、第１実施形態のＳＣＵ４０の構成要素のうち第２センサセル検出回路４０４を備えていない。第５実施形態は、ポンプセル２４６、センサセル２４８及びモニタセル２４９を有するＮＯｘセンサ２４，３０のためのガス濃度検出装置として機能する点では第１実施形態と共通する。しかし、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃは、第１実施形態のＳＣＵ４０の機能のうち、「ポンプセル２４６の素子抵抗を検出するポンプセル制御部」と、「モニタセル２４９の素子抵抗を検出するモニタセル制御部」を備える一方で、「センサセル２４８の素子抵抗を検出するセンサセル制御部」に関する機能を備えていない。

なお、第５実施形態のＳＣＵ４０Ｃと同等の機能を第２実施形態のＳＣＵ６０によっても実現することができる。

したがって、第５実施形態のガス濃度検出装置は、第１，第２実施形態と同様に、ポンプセル制御部及びモニタセル制御部として機能する要素を備えるので、第１，第２実施形態と同様の作用効果を奏することができる。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。すなわち、これら具体例に、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。例えば、前述した各具体例が備える各要素及びその配置、材料、条件、形状、サイズなどは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。また、前述した各実施の形態が備える各要素は、技術的に可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

２０：内燃機関
２４，２４Ａ，３０：ＮＯｘセンサ
２４２：測定室（ガス室）
２４３：大気室（基準ガス室）
２４４：固体電解質体
２４４ａ：第１主面
２４４ｂ：第２主面
２４６：ポンプセル
２４８，２４８Ａ：センサセル
２４９：モニタセル
２５０：共通電極
２５１：ポンプ電極
２５２，２５２Ａ：センサ電極
２５３：モニタ電極
４０，４０Ａ，４０Ｂ，４０Ｃ，６０，６０Ａ：ＳＣＵ
４０７：共通電極電圧印加部（ポンプセル制御部、センサセル制御部、モニタセル制御部）
４０２：ポンプセル検出回路（ポンプセル制御部）
４０８：マイコン（ポンプセル制御部、センサセル制御部、モニタセル制御部）
４０３：第１センサセル検出回路（センサセル制御部、第１検出回路）
４０４：第２センサセル検出回路（センサセル制御部、第２検出回路）
４０５：第１モニタセル検出回路（モニタセル制御部、第１検出回路）
４０６：第２モニタセル検出回路（モニタセル制御部、第２検出回路）
６０５：第１電圧印加部（ポンプセル制御部）
６０２：ポンプセル検出回路（ポンプセル制御部）
６０７：マイコン（ポンプセル制御部、センサセル制御部、モニタセル制御部）
６０６：第２電圧印加部（センサセル制御部、モニタセル制御部）
６０３：センサセル検出回路（センサセル制御部）
６０４：モニタセル検出回路（モニタセル制御部）

Claims (10)

1. 酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、
   酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、
   前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、
   前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、
   前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、
   前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、
   前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、
   前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、
   前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８，２４８Ａ）が形成されており、
   前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、
   前記センサ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記濃度に応じた信号を出力すると共に、前記センサセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記センサセルの応答特性に基づき前記センサセルの素子抵抗を検出するセンサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８，６０６，６０３，６０７）と、
   を備える、内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，４０，４０Ａ，４０Ｂ，６０，６０Ａ）。
2. 前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）及び前記センサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル及び前記センサセルにより計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
   前記センサセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０３）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０４）と、を有する、
   請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，４０，４０Ａ，４０Ｂ）。
3. 前記センサセル制御部は、前記素子抵抗を検出するとき、検出される電流値が前記第１検出回路の検出レンジを超えないときは前記第１検出回路を用い、検出される電流値が前記第１検出回路の検出レンジを超えるときに前記第２検出回路に切り替える、
   請求項２に記載の内燃機関のガス濃度検出装置。
4. 前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
   前記センサセル制御部（６０６，６０３，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記センサセルにより計測される電流値を用いて前記センサセルの素子抵抗を算出する、
   請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，２４Ａ，３０，６０，６０Ａ）。
5. 前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極（２５３）を備え、
   前記モニタ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記モニタ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセル（２４９）が形成されており、
   前記モニタ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、前記モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記モニタセルの応答特性に基づき前記モニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８，６０６，６０４，６０７）を更に備える、
   請求項１に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０，６０）。
6. 前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）、前記モニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８）、及び前記センサセル制御部（４０７，４０３，４０４，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル、前記モニタセル、及び前記センサセル（２４８）により計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
   前記モニタセル制御部及び前記センサセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０３，４０５）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０４，４０６）と、を有する、
   請求項５に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０）。
7. 前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
   前記モニタセル制御部（６０６，６０４，６０７）及び前記センサセル制御部（６０６，６０３，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記モニタセル及び前記センサセル（２４８）により計測される電流値を用いて前記モニタセル及び前記センサセルの素子抵抗を算出する、
   請求項５に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，６０）。
8. 酸素を含むガスにおける、所定のガス成分の濃度を測定するガス濃度検出装置であって、
   酸素イオン伝導性を有する板状の固体電解質体（２４４）と、
   前記固体電解質体の第１主面（２４４ａ）の側に形成されて前記ガスが導入されるガス室（２４２）と、
   前記固体電解質体の第２主面（２４４ｂ）の側に形成されて基準ガスが導入される基準ガス室（２４３）と、
   前記固体電解質体の前記第１主面に設けられたポンプ電極（２５１）と、
   前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するセンサ電極（２５２）と、
   前記固体電解質体の前記第１主面に設けられ、前記ポンプ電極が設けられた位置よりも前記ガスの流れ方向の下流側に位置するモニタ電極（２５３）と、
   前記固体電解質体の前記第２主面に設けられた共通電極（２５０）と、を備え、
   前記ポンプ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記ガス中の酸素濃度を調整するためのポンプセル（２４６）が形成されており、
   前記モニタ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記モニタ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における酸素濃度を検出するためのモニタセル（２４９）が形成されており、
   前記センサ電極と前記共通電極と前記固体電解質体の一部とによって、前記センサ電極と前記共通電極との間に流れる酸素イオン電流に基づいて前記ガス室における前記所定のガス成分の濃度を検出するためのセンサセル（２４８）が形成されており、
   前記ポンプ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて前記ガス中の酸素濃度を調整すると共に、前記ポンプセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記ポンプセルの応答特性に基づき前記ポンプセルの素子抵抗を検出するポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８，６０５，６０２，６０７）と、
   前記モニタ電極と前記共通電極との間の電圧印加に応じて酸素濃度に応じた信号を出力すると共に、前記モニタセルの検出レンジに対応する掃引電圧の前記共通電極への印加に応じた前記モニタセルの応答特性に基づき前記モニタセルの素子抵抗を検出するモニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８，６０６，６０４，６０７）と、
   を備える、内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０Ｃ，６０）。
9. 前記ポンプセル制御部（４０７，４０２，４０８）及び前記モニタセル制御部（４０７，４０５，４０６，４０８）は、前記共通電極に同一の前記掃引電圧を印加することにより前記ポンプセル及び前記モニタセルにより計測される電流値を用いて前記素子抵抗を算出し、
   前記モニタセル制御部は、前記濃度を検出するときに前記電流値を計測する第１検出回路（４０５）と、前記素子抵抗を検出するときに前記電流値を計測し、前記電流値の検出レンジが前記第１検出回路より広く設定される第２検出回路（４０６）と、を有する、
   請求項８に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，４０Ｃ）。
10. 前記ポンプセル制御部（６０５，６０２，６０７）は、前記共通電極に第１の掃引電圧を印加することにより前記ポンプセルにより計測される電流値を用いて前記ポンプセルの素子抵抗を算出し、
    前記モニタセル制御部（６０６，６０４，６０７）は、前記共通電極に前記第１の掃引電圧より小さい第２の掃引電圧を印加することにより前記モニタセルにより計測される電流値を用いて前記モニタセルの素子抵抗を算出する、
    請求項８に記載の内燃機関のガス濃度検出装置（２４，３０，６０）。

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