JP2019090690A - ガス測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタする機構を用いないでガス濃度を測定する。【解決手段】ＮＯｘ及び酸素を検出可能なＮＯｘセンサ素子１２と、酸素イオン伝導性固体電解質層及び一対の電極を有し、前記電極に電圧を印加されることで、前記電極間で酸素を移動させる酸素ポンプ１１と、酸素ポンプの印加電圧を変更可能な電圧生成回路２１と、電圧生成回路２１の出力電圧を制御し、かつＮＯｘセンサ素子からの出力を処理する処理部２４を有する。処理部２４は、酸素ポンプ１１の印加電圧の一方向の変化に対して、ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を検出し、その変曲点に基づいてＮＯｘセンサ素子からの出力を選択する。【選択図】 図１

Description

本発明は、ガス測定装置および方法に係り、特に自動車の排気ガス等の被測定ガスに含まれるＮＯｘ濃度を検出するガス測定装置およびその方法に関する

ＮＯｘセンサ等のガスセンサが使用される環境では、検知対象ガス以外のガスが存在し、そのガスの中には検知対象ガスと同様にガスセンサが応答を示す妨害ガスが含まれている。従来のＮＯｘセンサでは酸素が妨害ガスになるため、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質層の両側にＰｔ電極を有し、Ｐｔ電極間に電圧を印加することで、酸素を一方の電極からもう一方の電極に移動させることが可能な酸素ポンプによって酸素を除去する構造がとられている。しかしながら、酸素濃度が低下しすぎると、検知対象ガスであるＮＯｘが酸素ポンプを構成するＰｔ電極で反応して、測定誤差になるという問題がある。このため、従来のＮＯｘセンサでは、ＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタし、酸素濃度が一定の値になるように酸素ポンプにより酸素の除去を制御している。

この関連技術として、例えば特許文献１には、被測定ガス中の所定のガス成分濃度を、酸素濃度やその変化に影響を受けることなく、連続的に且つ正確に測定可能とした、かかるガス成分濃度の測定技術が開示されている。

特開平８−２７１４７６公報

従来のＮＯｘセンサでは、大気などの基準となる気体及びＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタする機構が必要である。大気の導入には構造上の制約があるため、ガスセンサの小型化ないし半導体によるワンチップ化が難しい。

本発明者らは、ガスセンサを小型化するための方策について種々検討を重ねた。その結果、酸素濃度をモニタする機構（例えば特許文献１において、センサ素子２の長手方向へ延びる基準空気導入通路１０や基準電極２４等）を削除できれば、ガスセンサを小型化してコスト低減が図れるのでは、と考えた。更に、酸素濃度をモニタする機構が無くても、酸素濃度の影響を受けないでＮＯｘ濃度を測定できる手法を検討した。

そこで、本発明の目的は、ＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタする機構を不要にしてガス濃度を測定することができるガス測定装置および方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るガス測定装置の好ましい例では、ＮＯｘ及び酸素を検出可能なＮＯｘセンサ素子と、酸素イオン伝導性固体電解質層及び電極を有し、前記電極に電圧を印加されることで、前記電極間で酸素を移動させる酸素ポンプと、前記酸素ポンプの印加電圧を変更可能な電圧生成回路と、前記電圧生成回路の出力電圧を制御し、かつ前記ＮＯｘセンサ素子からの出力を処理する処理部と、を有し、
前記処理部は、前記酸素ポンプの印加電圧の一方向の変化に対し前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を検出し、前記変曲点に基づいて前記ＮＯｘセンサ素子からの出力の選択を行うことを特徴とするガス測定装置、として構成される。
本発明はまた、前記ガス測定装置におけるガス測定方法としても把握される。

本発明によれば、酸素濃度を測定するための基準となる気体を取り込む構造やＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタする機構を用いないで、ガス濃度を測定することができる。

実施例１によるガス測定装置を示すブロック図。 実施例１におけるＮＯｘセンサの構成を示す断面図。 実施例１における酸素ポンプの印加電圧とＮＯｘセンサ出力の関係を示す図。 実施例１におけるＮＯｘセンサ出力に関係する波形図。 実施例１の動作を説明するフローチャートを示す図。 実施例１の動作を説明するフローチャートを示す図。 実施例２における酸素ポンプの印加電圧とＮＯｘセンサ出力の関係を示す図。 実施例３における酸素ポンプの印加電圧とＮＯｘセンサ出力の関係を示す図。 実施例３のガス測定装置における波形図。 実施例４のガス測定装置における波形図。 実施例５によるガス測定装置におけるブロック図。 実施例６のガス測定装置における波形図。 実施例７によるガス測定装置におけるブロック図。 実施例７における酸素ポンプの印加電圧とＮＯｘセンサ出力の関係を示す図。 実施例７における酸素ポンプの印加電圧の制御状態を示す波形図。

本発明は、酸素ポンプの酸素除去率を変化させた時のＮＯｘセンサの出力変化からＮＯｘが酸素の影響を受けず、かつＮＯｘが酸素ポンプのＰｔ電極で反応していない状態を判断し、ＮＯｘセンサの出力値を選択することでＮＯｘ濃度を精度よく測定する。以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施例を説明する。

図１は、一実施例に供するガス測定装置のブロック図である。
図１において、ガス測定装置は、主に、ＮＯｘセンサ１と、ＮＯｘセンサ制御回路（以下単に制御回路という）２から構成される。ＮＯｘセンサ制御回路２の出力信号がＥＣＵ（Electronic Control Unit）３に提供されて、エンジンやその他電子機器の制御が行なわれる。

ＮＯｘセンサ１は、酸素ポンプ１１と、ＦＥＴ型ＮＯｘセンサ素子（以下単にＮＯｘセンサ素子という）１２と、ＦＥＴ型リファレンス素子（以下単にリファレンス素子という）１３を有して構成される。ＮＯｘセンサ素子１２は、ＮＯｘ及び酸素濃度に応じて閾値電圧が変化する。リファレンス素子１３はＮＯｘ及び酸素に反応せず温度による特性変化や製造による特性のばらつきを補正するために使用される。酸素ポンプ１１は、酸素イオン伝導性の固体電解質層の両側に配置された電極に電圧を印加することで、酸素を電極間で移動させる。

制御回路２は、ＮＯｘセンサ素子１２のドレイン２８、ゲート２９、ソース２０の各端子、及びリファレンス素子１３のドレイン３１、ゲート３２、ソース３３の各端子に電圧や電流を印加し、及びそれらの端子の電流や電圧を検出する検出回路２２と、検出回路２２の出力電圧をデジタル信号に変換するＡＤＣ（アナログデジタルコンバータ）２３と、ＡＤＣ２３の信号を補正演算し、ＮＯｘ濃度の演算及び電圧生成回路２１の制御を行う演算処理部（ＭＣＵ：Micro Controller）２４と、ＭＣＵ２４の出力信号をＥＣＵ３に出力するための入出力回路２５と、酸素ポンプ１１に印加する電圧を生成する電圧生成回路２１を備えて構成される。検出回路２２はＮＯｘセンサ素子１２の閾値の変化を検出する。ＭＣＵ２４は、制御信号３５によって電圧生成回路２１の生成電圧を制御する。電圧生成回路２１は、駆動電圧信号２６により酸素ポンプを制御する。２７は酸素ポンプ１１の一方の電極のグラウンド接続信号である。

なお、電圧生成回路２１の機能をＤＡＣ（デジタルアナログコンバータ）が備えている場合には、電圧生成回路２１はＤＡＣと呼ばれることがある。また、本実施例では、ＮＯｘセンサ素子１２及びリファレンス素子１３に、ＦＥＴ型半導体を用いているが、容量型半導体を用いることもできる。また、演算処理部２４は単に処理部或いは制御部と称してもよい（特許請求の範囲では処理部と称している）。また、電圧生成回路２１は電圧制御回路或いは電圧制御部と称してもよい。

図２は、ＮＯｘセンサ１の断面構造を示す。
ＮＯｘセンサ１は半導体構造を成し、Ｓｉチップに、酸素ポンプ１１と、ＮＯｘセンサ素子１２と、リファレンス素子１３が形成される。なお、通常のセンサ素子が備えるヒータ等の構成要素の図示は省略されている。この半導体構造は従来のような、酸素濃度をモニタする機構を有しない。

ＮＯｘセンサ素子１２は、Ｓｉ基板４７上に形成されたウェル４８上に、拡散層４９、５３、５４と、ゲート絶縁膜５０と金属酸化物層５１とＰｔ電極５２が形成されて構成される。拡散層４９はドレイン、拡散層５３はソース、拡散層５４はウェル４８への給電端子であり、ゲート絶縁膜５０と金属酸化物層５１とＰｔ電極５２がゲートを構成する。

リファレンス素子１３は、ウェル６１上に、拡散層５５、５６、６０と、ゲート絶縁膜５７と、金属酸化物層５８とＰｔ電極５９が形成されて構成される。拡散層６０はドレイン、拡散層５６はソース、拡散層５５はウェル６１への給電端子であり、ゲート絶縁膜５７と金属酸化物層５８とＰｔ電極５９がゲートを構成する。

シリコン酸化物層４５及び４６には、ＮＯｘセンサ１の外部と連通する導入路４４が形成され、ＮＯｘセンサ素子１２のＰｔ電極５２がＮＯｘセンサ１の外部にある排気ガス（被測定ガス）に曝される。また、ＮＯｘセンサ１の外部から排気ガスがＮＯｘセンサ素子１２のＰｔ電極に達するまでの間の領域に、一対のＰｔ電極４１と４３、及び酸素イオン伝導性固体電解質層４２により酸素ポンプ１１が形成される。Ｐｔ電極４１と４２の間に電圧を印加することで、導入路４４内の排ガス中の酸素を導入路４４の外部に排出することができる。
ＮＯｘセンサ素子１２は、導入路４４に導かれる排気ガス中のＮＯｘ及びＯ_２に反応するが、リファレンス素子１３のＰｔ電極５９はシリコン酸化物層４６に覆われているため、排気ガス中のＮＯｘ及びＯ_２に反応しない。

図３は酸素ポンプの印加電圧とＮＯｘセンサの出力の関係を示す波形図である。
電圧生成回路２１によって酸素ポンプ１１の印加電圧を可変制御しながら、ＮＯｘセンサ素子１２の出力を測定する。
酸素ポンプの印加電圧（Ｖ）が低い期間（領域Ａ）は酸素の除去が十分ではないためＮＯｘセンサの出力は主に酸素との反応によるものになる。酸素ポンプの印加電圧が上昇するに従って酸素の除去率が上昇すると、導入路４４内の酸素濃度が低下する（領域ＡにおけるＮＯｘセンサ出力が右下がりの状態）。そして、酸素濃度がＮＯｘ濃度より十分低くなると、ＮＯｘセンサ出力は排気ガス中のＮＯｘ濃度で決まる値となり、酸素ポンプの印加電圧に依存しない値になる（ＮＯｘセンサ出力が定常状態）。この状態が図３の領域Ｂである。

さらに酸素ポンプの印加電圧を上げていくと、ＮＯｘセンサ出力の酸素濃度が更に低下する。すると、酸素ポンプのＰｔ電極とＮＯｘが反応し始めるため、ＮＯｘセンサ素子１２に到達するＮＯｘが減少し、ＮＯｘセンサの出力が低下する。この状態が図３の領域Ｃである。
このように、領域ＢにおけるＮＯｘセンサの出力が排気ガス中のＮＯｘ濃度に対応していることが分る。そこで、演算処理部２４によって、領域ＢのデータをＮＯｘ濃度の正しいデータとして選択して、補正処理を行う。この処理結果がＥＣＵ３に出力される。

図４は、図３の領域Ｂにおけるデータを選択する動作を説明するための波形図である。
酸素ポンプの印加電圧（Ｖ）を一定周期で変化させると、図示ように、ＮＯｘセンサの出力に変曲点（Ｔ１〜Ｔ１１）が発生する。領域Ｂは変曲点（例えば、Ｔ１−Ｔ２、Ｔ４−Ｔ５）に挟まれていることが分る。ＮＯｘセンサの出力値を２回微分すると、変曲点でパルスが発生する。そこで、２回微分のパルスを検出しパルスの間（例えば、Ｔ１−Ｔ２、Ｔ４−Ｔ５）データを領域Ｂのデータとして選択する。例えば、酸素ポンプの印加電圧を上昇させている時は正のパルスが出てから負のパルスがでるまでの間（Ｔ１−Ｔ２）のデータを選択して、領域ＢにおけるＮＯｘ濃度のデータと判断する。酸素ポンプの印加電圧が下降している時は負のパルスが出てから正のパルスが出るまで間（Ｔ４−Ｔ５）のデータを、同様にして領域ＢにおけるＮＯｘ濃度のデータと判断する。印加電圧の上昇と下降の切り替え時に発生するパルス（例えばＴ３、Ｔ６、Ｔ９）は無視する。このように抽出されたＮＯｘ濃度データが制御回路２の出力としてＥＣＵ３へ提供される。

上記のように、酸素ポンプの印加電圧（Ｖ）を変化させて、その電圧変化に伴うＮＯｘセンサの出力変化から最適な領域のデータを選択することで、導入路４４内の酸素濃度をモニタすることなく、酸素の影響を低減し、ＮＯｘ濃度を精度良く検出することができる。
上記の制御動作は、演算処理部２４におけるマイクロプログラムの実行によって行われる（図５Ａ、図５Ｂのフローチャート）。

次に、図５Ａ、図５Ｂを参照して、演算処理部２４による制御動作について説明する。
演算処理部２４による計算上、図３の波形図における領域Ｂ（変曲点の期間）の、２つ変曲点を検出するために、計算上、フラグ（Flag）１、フラグ（Flag）２なる変数を導入する。フラグ１は領域Ｂの開始時を示し、フラグ２は領域Ｂの終了時を示す変数である。フラグ１が１になってからフラグ２が１になるまでの期間が領域Ｂに相当し、ＮＯｘ濃度を正しく測定できる期間である。

まず、フラグ１及び２をゼロ（０）にリセットし、ＮＯｘセンサ出力の記録値を全て破棄して、初期状態に設定する（Ｓ５０１，Ｓ５０２）。次に、酸素ポンプ１１の印加電圧のスイープを開始する（Ｓ５０３）。そして、ＮＯｘセンサ素子１２の出力を演算処理部２４内のメモリ（不図示）に記録する。なお、メモリ記録されるＮＯｘの情報は、ＮＯｘセンサ素子１２の出力であって検出回路２２を介して検出され、ＡＤＣ２３でＡＤ変換されたデジタル値データである。

その後、演算処理部２４は、取得されたＮＯｘセンサ出力を２回微分して値ΔＶ”を計算する（Ｓ５０５）。そして、算出した２回微分値ΔＶ”と所定値Ｖｔｐとを比較してその大小を判断する（Ｓ５０６）。比較の結果、ΔＶ”>Ｖｔｐならば、ΔＶ”に正のパルスが発生しており、変曲点であると判断する。ΔＶ”>Ｖｔｐでなければ（Ｓ５０６：ＮＯ）、２回微分値ΔＶ”と他の所定値Ｖｔｍとを比較する（Ｓ５２１）。その比較の結果、ΔＶ”＜Ｖｔｍならば（Ｓ５２１：ＹＥＳ）、ΔＶ”に負のパルスが発生していると判断する。正もしくは負のパルスが発生した場合は、酸素ポンプ１１の電圧が上昇しているか下降しているかで、図３の波形図における領域Ｂの開始時に相当するか、終了時に相当するかが変わるので、酸素ポンプ１１の印加電圧が上昇しているか、下降しているかを判断して（Ｓ５０７，Ｓ５２２）処理を変更する。

ΔＶ”>Ｖｔｐかつ酸素ポンプ１１の電圧が上昇している場合（Ｓ５０７：ＹＥＳ）は、図３の波形図における領域Ｂの開始時(図４であればＴ１、Ｔ７)に相当すると判断し、フラグ１＝１に設定する。ΔＶ”>Ｖｔｐかつ酸素ポンプ１１の電圧が下降している場合（Ｓ５０７：ＮＯ）でかつ、フラグ１＝１（Ｓ５３１：ＹＥＳ）であれば、図３の波形図における領域Ｂの終了時(図４におけるＴ５、Ｔ１１)と判断しフラグ２＝１に設定する（Ｓ５３２）。フラグ１が１でない場合（Ｓ５３１：ＮＯ）ΔＶ”のパルスは正しく変曲点が検出できていないと判断し、フラグ１、２は変更せずに、次の処理（Ｓ５０９）に移行する。

ΔＶ”＜Ｖｔm(Ｓ５２１：ＹＥＳ)かつ酸素ポンプ１１の電圧が上昇していない、つまり下降している場合（Ｓ５２２：ＮＯ）は、図３の波形図における領域Ｂの開始時(図４であればＴ４、Ｔ１０)に相当すると判断し、フラグ１＝１に設定する。酸素ポンプ１１の電圧が上昇している場合（Ｓ５２２：ＹＥＳ）でかつ、フラグ１＝１（Ｓ５２１：ＹＥＳ）であれば、図３の波形図における領域Ｂの終了時(図４におけるＴ２、Ｔ８)と判断しフラグ２＝１に設定する（Ｓ５２４）。フラグ１が１でない場合（Ｓ５２１：ＮＯ）ΔＶ”のパルスは正しく変曲点が検出できていないと判断し、フラグ１、２は変更せずに、次の処理（Ｓ５０９）に移行する。また、ΔＶ”>Ｖｔｐでもなく、ΔＶ”＜Ｖｔｍでもない場合、変曲点ではないと判断して、フラグの操作は何もせずに次ぎの処理（Ｓ５０９）に移行する。上記フラグ処理の後、ステップＳ５０９（図５Ｂ）に移行して、フラグ１＝１でかつフラグ２＝１、を判断する（Ｓ５０９）。その判断の結果、ＹＥＳであれば、フラグ１＝１になった時間とフラグ２=１になった間の時間（例えば図４のＴ１からＴ２、Ｔ４からＴ５、Ｔ７からＴ８、Ｔ１０からＴ１１の間の期間）のＮＯｘセンサ出力値を、ＮＯｘ濃度を正しく反映した値として選択、補正を行い、Ｉ／Ｏ２５を介してＥＣＵ３等の外部装置に出力する（Ｓ５１０）。上記の処理により、センサ制御回路２は１回の正しいＮＯｘ濃度を提供できた。

その後、演算処理部２４は、２回目のＮＯｘ濃度を取得するために、初期設定を行う。すなわち、フラグ１及び２を”０”にリセットして（Ｓ５１１）、先のＮＯｘセンサ出力の記録値を破棄する（Ｓ５１２）。そして、酸素ポンプの印加電圧が最大値になっているか（Ｓ５１２）、及び酸素ポンプの印加電圧が最小値になっているか（Ｓ５４２）、を判断する。この判断の結果、酸素ポンプの印加電圧が最大値であれば（Ｓ５１２：ＹＥＳ）、フラグ１及びフラグ２を０に設定して（Ｓ５１３）、ＮＯｘセンサ出力の記録値を全て破棄して（Ｓ５１５）、酸素ポンプの印加電圧の減少方向のスイープを開始する（Ｓ５１５）。また、上記判断の結果、酸素ポンプの印加電圧が最小値であれば（Ｓ５４２：ＹＥＳ）、フラグ１及びフラグ２を０に設定して（Ｓ５４３）、ＮＯｘセンサ出力の記録値を全て破棄して（Ｓ５４４）、酸素ポンプの印加電圧の上昇方向のスイープを開始する（Ｓ５４５）。

これにより、処理はステップＳ５０４に戻って、演算処理部２４は、酸素ポンプ１１の印加電圧の次の位相の変曲点の検出に基づくその変曲点の期間におけるＮＯｘセンサ出力の検出、計算処理を行うことになる。

実施例２は、実施例１に対して、ＮＯｘ濃度が非常に低く酸素ポンプの印可電圧を変動させてもＮＯｘに変曲点が発生しない場合の制御の例である。

図６は、酸素ポンプの印可電圧（Ｖ）とＮＯｘセンサ出力の関係を示す。ＮＯｘ濃度が低いため、電圧生成回路２１が酸素ポンプの印可電圧を変化させてもＮＯｘセンサ出力は減少し続けて変曲点は発生しない。このように変曲点が発生しない場合、演算処理部２４は、酸素ポンプ１１の印可電圧が最大の時のＮＯｘセンサの出力値をＮＯｘセンサの出力データとして使用する。これにより、ＮＯｘ濃度が非常に低く変曲点が発生しない場合でも、ＥＣＵ３への出力データ３４を正しく更新することができる。

実施例３は、実施例１に対して、ＮＯｘ濃度が低くＮＯｘを正確に計測できる酸素ポンプの印可電圧の範囲が狭い場合の制御の例である。

図７は、酸素ポンプ印可電圧とＮＯｘセンサ出力の関係を示す。ＮＯｘ濃度が低いため、実施例１に比べて、酸素ポンプの電圧が高く酸素濃度が薄い状態にならないとＮＯｘ濃度との反応がＮＯｘセンサの主な反応にならない。一方で酸素ポンプ１１のＰｔ電極でＮＯｘが反応し始める酸素濃度は変化しないので、ＮＯｘ濃度を正しく計測できる酸素ポンプの印可電圧の範囲は狭くなってしまう。

図８は波形図を示す。なお、簡単のため排気ガス中のＮＯｘ濃度が一定の場合の波形図を示す。電圧生成回路２１は、実施例１と同様に酸素ポンプの印可電圧（Ｖ）を上下させる。しかし、実施例１に比べて変曲点の間隔ｔ１が短いので、本来ＮＯｘ濃度を正しく測定できる範囲のデータを適当に取得できない可能性がある。そこで、演算処理部２４は、変曲点によるピーク値の間隔ｔ１が規定値以下の場合には、酸素ポンプ１１の印可電圧の波形を変更制御する。すなわち、変曲点のピークがあった範囲に酸素ポンプ印可電圧の変更範囲をしぼり、時間当たりの酸素ポンプ印可電圧の変化量を小さくする。つまり、電圧波形Ｖ１の波形の傾斜を緩やかにした電圧波形Ｖ２を生成することで、ＮＯｘ濃度を正しく測定できる電圧が酸素ポンプ１１に印可されている時間ｔ２が長くなり、ＮＯｘ濃度の正しいデータを取得することができる。

実施例４は、実施例１に対して、導入路４４内のガスと外部のガスの入れ替わりが遅い場合の酸素ポンプの印可電圧の制御の例である。

図９は波形図を示す。なお、簡単のため排気ガス中のＮＯｘ濃度が一定の場合の波形図を示す。電圧生成回路２１が酸素ポンプ１１の印可電圧（Ｖ）を上げて、導入路４４内の酸素濃度を下げた後に酸素ポンプ１１の印加電圧（Ｖ）を下げて導入路４４内の酸素濃度を外部排気ガスと同濃度に戻す場合に、導入路４４内のガスと外部のガスの入れ替わりが酸素ポンプの印可電圧の変化に比べて遅い（即ち電圧期間ｔｄｗが短い）と、酸素濃度が期待した濃度まで上昇しない可能性がある。その場合、演算処理部２４は、酸素ポンプ１１の印可電圧を下げる時間（ｔｄｗ）を導入路４４のガスの入れ替わり速度に応じた長さ（ｔｄｗ>ｔｕｐ）に変更することで、酸素濃度が所望の値まで変化させることができる。

図１０は、実施例５におけるガス測定装置を示すブロック図を示す。
実施例５は、実施例１に対して、酸素ポンプ１１の電流を測定するための電流計６２が追加されている。演算処理部２４は、ＮＯｘセンサ素子１２の出力と、電流計６２で計測した酸素ポンプ１１の電流と、導入路４４内の酸素濃度と、導入路４４内の酸素濃度の時間変化を基に、排気ガス中に含まれる酸素濃度を計算する。導入路４４内の酸素濃度は、酸素ポンプの印加電圧が低く、酸素濃度がＮＯｘ濃度より十分高い状態でのＮＯｘセンサの出力から、ＮＯx濃度の影響を差し引くことで導入路４４内の酸素濃度を計測することができる。以下に酸素濃度の計算式を示す。

F_{o2_in} = β・(D_{o2_out} - D_{o2_in}) ・・・(１)
F_{o2_out} = α・I_o2 ・・・(２)
F_{o2_in} = F_{o2_out} - ｃ・ΔD_{o2_in} ・・・（３）
D_{o2_out} = (α/β)・I_o2 + (ｃ/β)・ΔD_{o2_out} + D_{o2_out} ・・・（４）
F_{o2_in} ：導入路４４に流れ込む単位時間当たりの酸素
F_{o2_out} ：酸素ポンプ１１によって導入路４４から排出される単位時間当たりの酸素
I_o2 ： 酸素ポンプに流れる電流
D_{o2_in} ：導入路４４内の酸素濃度
ΔD_{o2_in} ：導入路４４内の酸素濃度の時間変化
D_{o2_out} ：排気ガス中の酸素濃度
α ：定数
β ：拡散係数や導入路の断面積で決まる係数
ｃ ：導入路４４の体積で決まる定数

式（１）は導入路４４に外部の排気ガスから流れ込む酸素の量Ｆ_{o2_in}を示す。Ｆ_{o2_in}は排気ガス中の酸素濃度と導入路４４内の酸素濃度の差分に比例する。係数βは酸素の拡散のしやすさを示す係数で、拡散係数や導入路の断面積の広さによって決まり、温度依存性を持つ。

式（２）は酸素ポンプによって導入路４４から外部に排出される酸素の量Ｆ_{o2_out}を示す。Ｆ_{o2_out}は、酸素ポンプの電流量I_o2に比例する。αは定数である。式（３）はＦ_{o2_out}とＦ_{o2_in}の関係を示す。Ｆ_{o2_in}はＦ_{o2_out}と導入路４４内の酸素濃度の時間変化ΔD_{o2_in}に定数ｃを掛けた値の差分に等しい。式（３）に式１、２を代入して整理すると、式（４）になる。

式（４）から、排気ガス中の酸素濃度D_{o2_out}は、酸素ポンプの電流I_o2と、導入路４４内部の酸素濃度D_{o2_in}と、導入路４４内部の酸素濃度の時間変化ΔD_{o2_in}が分かれば計算で求めることができる。これにより、追加の酸素センサを搭載することなく、ＮＯｘと酸素を測定することができる。

実施例６は、実施例１に対して、酸素ポンプ１１の印可電圧の制御が異なる。
図１１は波形図を示す。なお、簡単のため排気ガス中のＮＯｘ濃度が一定の場合の波形図を示す。

電圧生成回路２１が酸素ポンプ１１の印可電圧を上昇させた後、タイミングＴ３で酸素ポンプの動作を止める。すなわち酸素ポンプの印可電圧が０Ｖになる。酸素ポンプの動作を止めることで、導入路４４内部の酸素濃度は排気ガスの酸素濃度と等しくなる。よって、演算処理部２４は、ＮＯｘセンサ素子１２の出力が安定するまで酸素ポンプのオフ状態を維持するように、電圧生成回路２１を制御し、酸素ポンプ１１がオフ時のＮＯｘセンサ素子の出力を取得する。この取得したデータの値からＮＯｘ濃度によるＮＯｘセンサ素子の出力分を引けば、排気ガス中の酸素濃度を求めることができる。これにより、追加の酸素センサを搭載することなく、ＮＯｘと酸素を測定することができる。

実施例７は、実施例１に対して、酸素ポンプ１１の印加電圧の制御が異なる。酸素ポンプ１１の印加電圧に対するＮＯｘセンサの出力依存性は、温度や製造ばらつきによって変化する。製造時の特性検査で温度や酸素濃度、ＮＯｘ濃度を変化させた時の特性を測定しておき、その特性に応じて酸素ポンプの印加電圧の変更範囲を変化させる。

図１２はガス測定装置を示すブロック図を示す。実施例１に対して、ＮＯｘセンサ素子の温度を測定するための温度センサ６３と、温度センサの駆動及び、信号の検出を行う温度計測回路６４が追加されている。６５は温度センサ６３の制御信号、６６は温度センサ６３の計測信号である。温度計測回路６４が検出した値は信号６７により、温度情報読み取り信号としてＭＣＵ２４に取り込まれる。事前に測定した特性と温度の関係のデータベース（ＤＢ）がＭＣＵ２４内の不揮発メモリに記録されている。ＭＣＵ２４は、ＤＢに保持した特性や温度を参照して、温度センサ６３の測定温度に応じて酸素ポンプ１１の印加電圧の変化範囲を変更することができる。

図１３は、３種類の酸素ポンプ１１の印加電圧に対するＮＯｘセンサ出力依存性の関係を示す。製造ばらつきや温度によってそれぞれ特性が異なり、変曲点が発生する電圧がそれぞれ異なる。例えば、状態２は状態１に対して温度が高い場合を示す。温度が高い場合は、酸素ポンプ１１と酸素の反応が高くなり、変曲点が発生する酸素ポンプ１１の印加電圧は状態１に比べて低くなる。また状態３は状態１よりも温度が低い場合を示し、変曲点が発生する酸素ポンプの印加電圧は状態１に比べて高くなる。

図１４は酸素ポンプ１１の印加電圧の制御状態を示す。状態１、２、３それぞれで、変曲点に対してΔＶだけ余裕を持った電圧範囲で酸素ポンプ１１の印加電圧のスイープを行う。例えば、状態１の場合は、Ｖｏ１−ΔＶから、Ｖｏ２＋ΔＶの範囲である。これにより、電圧のスイープ範囲を製造ばらつきや温度に応じて最適化することができ、ＮＯｘセンサの応答性を速くすることができる。

以上の説明したように、本発明の好ましい実施例によれば、酸素濃度を測定するための基準となる気体を取り込む構造及びＮＯｘセンサ周辺の酸素濃度をモニタする機構が不要となる。これにより、ＮＯｘセンサの構造の自由度が増すので、センサ素子の小型化やＳｉチップでワンチップ化したＮＯｘセンサを実現することができる。

１：ＮＯｘセンサ
２：ＮＯｘセンサ制御回路
３：ＥＣＵ
１１：酸素ポンプ
１２：センサ素子
１３：リファレンス素子
２１：電圧生成回路
２２：検出回路
２３：アナログデジタルコンバータ
２４：演算処理部（ＭＣＵ）
２５：入出力回路

Claims (14)

1. ＮＯｘ及び酸素を検出可能なＮＯｘセンサ素子と、
   酸素イオン伝導性固体電解質層及び電極を有し、前記電極に印加される電圧に応じて前記電極間で酸素を移動させる酸素ポンプと、
   前記酸素ポンプの印加電圧を可変制御する電圧生成回路と、
   前記電圧生成回路の出力電圧を制御し、かつ前記ＮＯｘセンサ素子の出力を処理する処理部と、を有し、
   前記処理部は、前記酸素ポンプの印加電圧の一方向の変化に対して前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を検出し、前記変曲点に基づいて前記ＮＯｘセンサ素子からの出力の選択を行う、ことを特徴とするガス測定装置。
2. 前記処理部は、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点のうち電圧の下降と上昇の切り替え時の変曲点を除き、前記酸素ポンプ印加電圧の上昇時に発生する第１の変曲点と第２の変曲点が発生する中間の電圧を印加した時のＮＯｘセンサ素子の出力を選択して該出力を補正する、請求項１のガス測定装置。
3. 前記処理部は、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点のうち電圧の下降と上昇の切り替え時の変曲点を除き、前記酸素ポンプ印加電圧の上昇時に発生する第１の変曲点が発生してから第２の変曲点が発生するまでのＮＯｘセンサ素子の出力を平均化する、請求項１のガス測定装置。
4. 前記処理部は、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を判断するためのＮＯｘセンサ素子の出力の２回微分値が前記酸素ポンプの印加電圧に対して一定の幅を持つ場合、前記ＮＯｘセンサ素子の出力を２回微分して、該２回微分値の絶対値が規定値よりも小さい場合のデータを選択して平均化する、請求項３のガス測定装置。
5. 前記処理部は、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点が検出されない場合に、前記酸素ポンプ印加電圧が最大の時の前記ＮＯｘセンサ素子の出力値を検出値として選択して、補正演算する、請求項１のガス測定装置。
6. 前記処理部は、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点の間隔が狭くて、前記ＮＯｘセンサ素子の出力からデータの選択が難しい場合に、前記酸素ポンプの印加電圧の変化速度及び又は変化範囲を変更して、その後前記ＮＯｘセンサ素子の出力から該データを選択する、請求項１のガス測定装置。
7. 前記処理部は、前記酸素ポンプの印加電圧の上昇時間と下降時間が異なるように前記電圧生成回路を制御する、請求項１のガス測定装置。
8. 前記処理部は、前記酸素ポンプの前記電極間に流れる電流を計測し、前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点のうち電圧の下降と上昇の切り替え時の変曲点は除き、前記電流とＮＯｘセンサ素子の出力値から酸素濃度を計算する、請求項１のガス測定装置。
9. 前記処理部は、前記酸素ポンプの印加電圧を０Ｖにした時のＮＯｘセンサ素子の出力と、前記変曲点に基づいて選択されたＮＯｘ濃度に相当するＮＯｘセンサ素子の出力から酸素濃度を計算する、請求項１のガス測定装置。
10. 前記ＮＯｘセンサ素子と、前記酸素ポンプと、ＮＯｘ及び酸素に反応せず温度による特性変化を補正するリファレンス素子は、Ｓｉ基板上に形成された半導体構造を成し、該半導体構造は、酸素濃度をモニタする機構を有しない、請求項１のガス測定装置。
11. 前記ＮＯｘセンサ素子の製造時の検査で、各温度で取得した前記ＮＯｘセンサ素子の出力の前記変曲点が発生する前記酸素ポンプの印加電圧のデータを記憶する不揮発メモリと、前記ＮＯｘセンサ素子の温度を計測する温度センサと、を有し、
    前記処理部は、前記不揮発メモリに記憶されたデータと、前記温度センサの計測値を基に、前記酸素ポンプの印加電圧の駆動範囲を決定する、請求項１のガス測定装置。
12. ＮＯｘセンサ素子がＮＯｘ及び酸素を検出するステップと、
    酸素ポンプが、酸素イオン伝導性固体電解質層に対して所定に配置された電極に印加される電圧に応じて、前記電極間で酸素を移動させるステップと、
    電圧生成回路が、前記酸素ポンプの印加電圧を可変制御する電圧生成ステップと、
    前記電圧生成回路の出力電圧を制御し、かつ前記ＮＯｘセンサ素子の出力を処理する処理ステップと、を有し、
    前記処理ステップは、前記酸素ポンプの印加電圧の一方向の変化に対して前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を検出し、前記変曲点に基づいて前記ＮＯｘセンサ素子からの出力を選択する、ことを特徴とするガス測定方法。
13. ＮＯｘセンサ素子がＮＯｘ及び酸素を検出するステップと、
    酸素ポンプが、酸素イオン伝導性固体電解質層に対して所定に配置された電極に印加される電圧に応じて、前記電極間で酸素を移動させるステップと、
    電圧生成回路が、前記酸素ポンプの印加電圧を可変制御する電圧生成ステップと、
    前記電圧生成回路の出力電圧を制御し、かつ前記ＮＯｘセンサ素子の出力を処理する処理ステップと、を有し、
    前記処理ステップは、前記酸素ポンプの印加電圧の上昇に伴い、前記ＮＯｘセンサ素子の出力において、酸素濃度がＮＯｘ濃度よりも低くなりかつ酸素濃度がＮＯｘの検出に影響を及ぼさない範囲で、前記処理ステップは前記ＮＯｘセンサ素子の出力からＮＯｘ濃度のデータを選択する、ことを特徴とするガス測定方法。
14. 前記処理ステップは、前記酸素ポンプの印加電圧の一方向の変化に対して前記ＮＯｘセンサ素子の出力の変曲点を検出し、前記変曲点に基づいて前記影響を及ぼさない範囲を判断して、前記ＮＯｘセンサ素子の出力から前記ＮＯｘ濃度のデータを選択する、請求項１３のガス測定方法。

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