JP2023145122A - ＮＯｘセンサ - Google Patents

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Abstract

【課題】周辺環境温度の影響を抑制し、被測定ガスに含まれる水分量に基づく補正をより精度よく行って、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上可能なＮＯｘセンサを提供する。【解決手段】センサＳは、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号Ｉｐを出力する第１セル１ｐと、ＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号Ｉｓを出力する第２セル１ｓを有するセンサ素子１と、ヒータＨと、センサ制御部１０を備え、センサ制御部１０は、第２信号に基づくＮＯｘ濃度基準値を算出するＮＯｘ濃度基準値算出部１０１と、第１信号又は外部情報に基づくＨ2Ｏ濃度情報を検出するＨ2Ｏ濃度情報検出部１０２と、ＮＯｘ濃度基準値をオフセット補正するＮＯｘ濃度補正部１０３とを有し、オフセット補正情報は、予め定めた基準環境温度にて取得されるＨ2Ｏ濃度情報と第２信号との関係に基づき、基準環境温度は、センサ素子１の搭載環境における排ガスＧの定常温度域に設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサに関する。
車両用のＮＯｘセンサは、固体電解質体を用いたセンサ素子を備えており、センサ素子の内部へ被測定ガスとなる排ガスを導入し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解に起因して固体電解質体を流れる電流を測定することにより、ＮＯｘ濃度を検出している。一般に、センサ素子は、固体電解質体の表面に電極が形成された複数のセルを有し、例えば、ガス流れの上流側に設けられるポンプセルにて被測定ガス中の酸素（Ｏ2）をポンピングし、所定の低酸素濃度に調整した上で、下流側に設けられるセンサセルにて被測定ガスに含まれるＮＯｘを検出する。
一方、ＮＯｘ濃度の検出において、被測定ガスに含まれる水分（Ｈ2Ｏ）が誤差要因となることがある。その対策として、特許文献１には、エンジンの運転条件により定まる空気過剰率あるいはＡ／Ｆ値から排ガス中の水分量を推定し、推定された水分量に応じてガス濃度検出信号を補正する方法が提案されている。また、酸素ポンプ作用を利用する形式のガスセンサにおいては、酸素を汲み出す第１セルから得られる信号と排ガス中の酸素濃度及び水分量との相関関係を利用して、ＮＯｘを分解する第２セルから得られる信号を、マップを用いて又はアナログ回路上で補正する方法が提案されている。
特許第３３７２１８６号公報
特許文献１のガスセンサは、エンジン情報又はセンサ情報から、排ガス中の水分量を推定し又は水分量に相当する値を取得して、水分量に対応する補正量を用いて、ＮＯxガス濃度検出出力を補正している。その前提として、ＮＯxガス濃度検出出力とＮＯxガス濃度との間に直線関係があることが示され、水分量による補正をしない場合には、感度には影響がないものの、オフセットが変化するとされている。ところが、搭載位置や負荷条件によって異なるセンサ周辺環境や、センサ制御状態によっては、必ずしも水分量に基づくオフセットが一定とならないことが判明した。これは、水分量とオフセットの関係が、周辺環境温度の影響を受けるためと推測され、水分量が増加するほど、オフセット誤差が大きくなるために、ＮＯxガス濃度の補正精度が低下するおそれがあった。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、周辺環境温度の影響を抑制し、被測定ガスに含まれる水分量に基づく補正をより精度よく行って、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上可能なＮＯｘセンサを提供しようとするものである。
本発明の一態様は、
被測定ガス（Ｇ）に含まれるＮＯｘを検出するセンサ素子（１）と、上記センサ素子を加熱するヒータ（Ｈ）と、上記センサ素子及び上記ヒータの動作を制御すると共に、上記センサ素子からの信号に基づいてＮＯｘ濃度を算出するセンサ制御部（１０）と、を備えるＮＯｘセンサ（Ｓ）であって、
上記センサ素子は、
ガス導入部（３）を介して上記被測定ガスが導入され、固体電解質体（１１）を室壁とする被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室において、導入されるガス流れの上流側に配置され、上記被測定ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号（Ｉｐ）を出力する第１セル（１ｐ）、及び、上記第１セルよりも下流側に配置され、上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号（Ｉｓ）を出力する第２セル（１ｓ）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記第２信号に基づくＮＯｘ濃度基準値（Ｃ１）を算出するＮＯｘ濃度基準値算出部（１０１）と、
上記第１信号又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報（Ｃｉ）を検出するＨ2Ｏ濃度情報検出部（１０２）と、
上記ＮＯｘ濃度基準値を、上記Ｈ2Ｏ濃度情報に基づいてオフセット補正する、ＮＯｘ濃度補正部（１０３）と、を有し、
上記ＮＯｘ濃度補正部は、予め定められた基準環境温度（Ｔ０）にて取得される上記センサ素子の出力特性に基づいて、上記Ｈ2Ｏ濃度情報に対応する上記第２信号のオフセット補正情報を記憶しており、上記基準環境温度は、上記センサ素子の搭載環境における上記被測定ガスの定常温度域に設定される、ＮＯｘセンサにある。
上記構成のＮＯｘセンサにおいて、センサ制御部は、センサ素子の動作とヒータの動作を制御すると共に、センサ素子からの信号に基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。第２セルから第２信号が入力されると、ＮＯｘ濃度基準値算出部において、予め知られる第２信号とＮＯｘ濃度との関係に基づいて、ＮＯｘ濃度基準値が算出される。Ｈ2Ｏ濃度情報検出部は、第１セルから入力される第１信号又はセンサ素子の外部情報に基づくＨ2Ｏ濃度情報を検出する。ＮＯｘ濃度補正部は、予め記憶しているオフセット補正情報を参照して、検出されたＨ2Ｏ濃度情報に相当するオフセット値を算出し、ＮＯｘ濃度基準値を補正する。
ここで、センサ素子の周辺環境は、被測定ガスの排出環境によって変動し、被測定ガスに含まれる水分量も変動する。このとき、水分量が少ない領域もしくは温度が低い領域では、センサ出力への影響も小さい。ところが、例えば、負荷条件等によりセンサ素子の搭載位置における温度が大きく変化する場合、水分量が多い領域もしくは温度が高い領域で、センサ出力が大きく増加し、センサ出力への影響が無視できないものとなる。これは、ヒータによるセンサ素子の温度制御が実施されていても、高温の被測定ガスの影響を受けて、第２信号が出力される第２セルの温度が上昇すると、水分の分解が進みやすくなるためと推測される。
そのような場合でも、ＮＯｘ濃度補正部において、予め基準環境温度において取得されたオフセット補正情報を用いることにより、Ｈ2Ｏ濃度情報のみならず、温度特性を考慮した補正が可能になる。オフセット補正情報が取得される基準環境温度は、実際のセンサ素子の搭載環境を反映させた被測定ガスの定常温度域に設定されるので、被測定ガスの温度がより安定した状態におけるＨ2Ｏ濃度情報と第２信号との関係が得られる。この関係に基づくオフセット補正を行うことにより、水分量や周辺環境温度の変化に対する補正ばらつきが緩和され、補正不足又は過補正となることを抑制して、ＮＯｘ濃度をより精度よく算出することができる。
以上のごとく、上記態様によれば、周辺環境温度の影響を抑制し、被測定ガスに含まれる水分量に基づく補正をより精度よく行って、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上可能なＮＯｘセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
実施形態１における、ＮＯｘセンサの構成を示す全体概略図。 実施形態１における、ＮＯｘセンサの主要部であるセンサ素子の概略構成を示す長手方向断面図とそのＩ－Ｉ線断面図。 実施形態１における、ＮＯｘセンサのセンサ制御部の主要部構成を示すブロック図。 実施形態１における、ＮＯｘセンサの取り付け状態を示す全体構成図とその一部拡大断面図。 実施形態１における、オフセット補正情報を説明するための図で、定常温度域におけるＮＯｘ出力とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。 実施形態１における、センサ素子のＮＯｘ出力の温度特性を示す図。 実施形態１における、オフセット補正値算出マップに基づくオフセット補正方法を説明するための図。 実施形態１における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部のＮＯｘ濃度算出手順を説明するための図。 実施形態１における、走行試験により得られたエンジン回転数とトルクとの関係を示すエンジンマップ図。 実施形態１における、オフセット補正情報に基づくオフセット補正前後のＮＯｘ出力を比較して示す図。 実施形態１における、複数のセンサ素子にて取得されたＮＯｘ出力誤差とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。 実施形態２における、ＮＯｘセンサの主要部の概略構成図。 実施形態２における、ポンプセル電圧のばらつきとＮＯｘ出力誤差の関係を示す図。 実施形態２における、センサ制御部の検出制御部が指示電圧補正部を備える場合の概略構成図。 実施形態２における、センサ制御部の検出制御部が指示電圧補正部を備えない場合の概略構成図。
（実施形態１）
ＮＯｘセンサに係る実施形態１について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本形態のＮＯｘセンサＳは、センサ素子１と、センサ素子１を加熱するヒータＨと、センサ制御部１０とを備える。図４の全体図（右図）に示すように、センサ素子１が収容されるセンサ本体１Ａは、例えば、車両用エンジン等の内燃機関の排ガス通路ＥＸに設置され、センサ素子１を用いて、被測定ガスである排ガスＧ中に含まれる窒素酸化物（すなわち、ＮＯｘ）を検出する。センサ制御部１０は、排ガス通路ＥＸの外部に設置されて、センサ素子１による検出動作及びヒータＨによる加熱動作を制御すると共に、センサ素子１からの出力に基づいてＮＯｘ濃度を算出する。
図１、図２に示すように、センサ素子１は、例えば、固体電解質体１１を用いた限界電流式センサとして構成されており、第１セルであるポンプセル１ｐと、第２セルであるセンサセル１ｓと、を有している。センサ素子１には、ガス検出部となる一端側（例えば、図４の右図における下端側）の内部に、固体電解質体１１を室壁とする被測定ガス室２が形成されており、センサ素子１の外部から、ガス導入部３を介して、被測定ガス室２へ排ガスＧが導入される。センサ素子１は、センサセル１ｓと並設される第３セルとしてのモニタセル１ｍを備えることもできる。
図４の左図に示すように、排ガスＧは、センサ素子１の長手方向をガス流れ方向Ｘとして、その先端部に設けられるガス導入部３から、被測定ガス室２に導入される。被測定ガス室２において、ポンプセル１ｐは、ガス流れの上流側に配置され、排ガスＧ中の酸素濃度を調整しつつ、排ガスＧ中の酸素濃度に対応する信号であり、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号を出力するように構成される。センサセル１ｓは、ポンプセル１ｐよりも下流側に配置されて、酸素濃度が調整された排ガスＧ中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号を出力する。固体電解質体１１を挟んで被測定ガス室２と反対側には、基準ガス室４が配置される。センサ素子１の外表面には、ガス検出部の全体を覆って、多孔質保護層５が形成される。
図２に示すように、具体的には、ポンプセル１ｐは、被測定ガス室２に面する固体電解質体１１の表面に、第１セル電極であるポンプ電極２１を有し、酸素ポンピングを行って、排ガスＧ中の酸素濃度を所定の低濃度に調整する。このとき、ポンプ電極２１の触媒作用により、排ガスＧに含まれる酸素（すなわち、Ｏ2）が還元されて、酸化物イオン（すなわち、Ｏ2-）となり、固体電解質体１１の内部を伝導して、基準ガス室４側へ排出される。その際にポンプセル１ｐを流れる電流（以下、ポンプセル電流と称する）Ｉｐは、調整前の排ガスＧ中の酸素濃度（以下、適宜、Ｏ2濃度と称する）に対応するものとなり、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号として、センサ制御部１０へ出力される。
センサセル１ｓは、被測定ガス室２に面する固体電解質体１１の表面に、第２セル電極であるセンサ電極２２を有し、Ｏ2濃度が調整された排ガスＧに含まれるＮＯｘを検出する。このとき、排ガスＧにＨ2Ｏが含まれる場合には、センサ電極２２の触媒作用により、ＮＯｘが分解されると共にＨ2Ｏが分解されて、ＮＯｘ及びＨ2Ｏに起因する酸化物イオンが、固体電解質体１１の内部を伝導して、基準ガス室４側へ排出される。その際にセンサセル１ｓを流れる電流（以下、センサセル電流と称する）Ｉｓは、排ガスＧ中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じたものとなり、第２信号としてセンサ制御部１０へ出力される。
ＮＯｘセンサＳは、例えば、ＮＯｘを浄化するための選択的触媒還元（以下、ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムに用いられて、触媒下流側におけるＮＯｘ濃度を検出し、触媒上流側への還元剤の供給量制御等に利用される。その場合に、排ガスＧにＮＯｘと共に水分（すなわち、Ｈ2Ｏ）が混在すると、センサ素子１からの出力は、本来のＮＯｘに基づく出力に、Ｈ2Ｏに基づく出力が上乗せされたものとなる。排ガスＧ中のＨ2Ｏは、主にエンジンにおける燃料の燃焼に起因するものであり、排ガスＧ中のＯ2と相関を有する。そのため、Ｈ2Ｏ濃度又はＯ2濃度を用いて、ＮＯｘ出力のオフセット量を推定して、ＮＯｘ濃度の補正を行うことが可能であり、さらに、Ｈ2Ｏに基づく出力の温度特性を考慮することにより、オフセット補正を適切に行うことができる。
図１、図３に示すように、センサ制御部１０は、センサ素子１又は外部装置等と通信可能に構成されており、機能的に、ＮＯｘ濃度算出部１００と、検出制御部２００と、ヒータ制御部３００と、を備える。ＮＯｘ濃度算出部１００は、センサ素子１から出力される第１信号、第２信号や外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏに起因するＮＯｘ出力の誤差（以下、ＮＯｘ出力誤差と称する）を補正して、ＮＯｘ濃度を算出する。検出制御部２００は、センサ素子１による検出動作が、適切に実施されるように制御し、また、ヒータ制御部３００は、センサ素子１が検出に適した温度となるように、ヒータＨによる加熱動作を制御する。検出制御部２００及びヒータ制御部３００による制御の詳細については、後述する。
ＮＯｘ濃度算出部１００は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１と、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２と、ＮＯｘ濃度補正部１０３と、を有する。ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１には、第２信号であるセンサセル電流Ｉｓが入力され、センサセル電流Ｉｓに基づくＮＯｘ濃度基準値Ｃ１が算出される。Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２には、第１信号であるポンプセル電流Ｉｐ又は外部情報が入力され、ポンプセル電流Ｉｐ又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉが検出される。ＮＯｘ濃度補正部１０３は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１にて算出されたＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２にて検出されたＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉを用いてオフセット補正し、オフセット補正後の値をＮＯｘ濃度の算出値として出力する。
具体的には、ＮＯｘ濃度補正部１０３は、予め定められた基準環境温度にて取得されるＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉと第２信号との関係に基づくオフセット補正情報を記憶している。この基準環境温度は、センサ素子１の搭載環境における排ガスＧの定常温度域となるように設定される。定常温度域は、エンジンが定常運転状態にあるときに、センサ素子１の搭載位置に到達する排ガスＧが取り得る温度域であり、想定されるエンジンの運転状態や、エンジンと排ガス通路ＥＸにおけるセンサ素子１との距離等によって異なる。
このとき、ＮＯｘ濃度補正に用いられるオフセット補正情報は、排ガスＧの定常温度域となる基準環境温度に対応し、実際のＮＯｘセンサＳの搭載環境における周辺環境温度を反映させたものとなる。これにより、検出されたＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉに基づくオフセット補正がより適切になされ、ＮＯｘ検出におけるＮＯｘ出力誤差を低減することができる。ＮＯｘ出力の温度特性とオフセット補正について、次に説明する。
図５に一例としての定常温度域における、ＮＯｘ出力とＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉとの関係を示す。図の横軸に示すように、Ｈ2Ｏ濃度情報ＣｉとなるＨ2Ｏ濃度とＯ2濃度とは、相関関係にあり、例えば、ポンプセル電流Ｉｐから知られるＯ2濃度（例えば、０％～約２１％）が低くなるほど、Ｈ2Ｏ濃度（例えば、０％～約１３％）は高くなる。また、図の縦軸に示すように、例えば、センサセル電流Ｉｓから知られるＮＯｘ出力は、ＮＯｘ濃度（単位：ｐｐｍ）に対応する。このとき、ＮＯｘ出力は、Ｈ2Ｏ濃度又はＯ2濃度に対応するオフセットを含み、具体的には、Ｈ2Ｏ濃度が高くなるほど又はＯ2濃度が低くなるほど、オフセットが増加し、また、その増加率が大きくなる。そのため、ＮＯｘが実質的に含まれない場合でも、Ｈ2Ｏ濃度又はＯ2濃度に応じて、ＮＯｘ出力が変動する。
さらに、ＮＯｘ出力とＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉとの関係は、温度特性を有し、センサ素子１の搭載位置における環境温度に応じて変動する。ここでは、センサ素子１の搭載位置における排ガスＧの温度が、エンジン始動後の安定した走行状態となったときに取り得る温度域を、定常温度域として、その範囲のＮＯｘ出力特性を比較している。このとき、定常温度域の下限温度Ｔ１（例えば、３００℃）と上限温度Ｔ２（例えば、７００℃）とでは、ＮＯｘ出力特性が大きく変化し、温度が高くなるほど、オフセットが増加している。この温度特性によるオフセットの差は、Ｈ2Ｏ濃度が低い領域では、比較的小さいものの、Ｈ2Ｏ濃度が高くなると又はＯ2濃度が低くなると、大きな差となる。
図６に示すように、排ガスＧのガス温度の変化（例えば、０℃～８００℃）に対して、ＮＯｘ出力は徐々に増加し、高温側ほど、オフセットの増加率が大きくなっている。そのため、温度特性が考慮されない一般的な試験によって取得された特性に基づいて、従来のように、Ｈ2Ｏ濃度に応じた固定値を用いてオフセット補正を行う場合には、ＮＯｘ出力誤差を十分に低減できないおそれがある。そこで、ＮＯｘ濃度補正部１０３では、例えば、図５に示したＮＯｘ出力のオフセット特性から、最適となるオフセット補正情報を選定し、ＮＯｘ濃度補正部１０３にて、オフセット補正情報に基づく補正を行う。
図５において、ＮＯｘ濃度補正部１０３は、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を補正するためのオフセット補正情報を、排ガスＧの定常温度域における基準環境温度Ｔ０にて、予め取得されたものとする。定常温度域は、エンジンが定常運転状態にあるときに、センサ素子１の周辺に到達する排ガスＧが取り得る温度域であり、センサ素子１の周辺環境温度の範囲を示す。定常温度域は、エンジンの種類や排ガス管におけるガスセンサＳの搭載位置その他の条件によって定まり、個々のセンサ素子１又は同等条件で使用される同種の複数のセンサ素子１の状態に対応させて、適切な基準環境温度Ｔ０を定めることができる。
好適には、基準環境温度Ｔ０は、定常温度域における下限温度Ｔ１よりも高温側の温度域に設定されることが望ましい。例えば、排ガスＧの温度が、３００℃以上７００℃以下の範囲を定常温度域とするとき、下限温度Ｔ１である３００℃よりも高温側の温度となるように、基準環境温度Ｔ０が設定される。また、好適には、定常温度域における上限温度Ｔ２である７００℃よりも低温側の温度域となるように、基準環境温度Ｔ０が設定されるのがよい。より好適には、下限温度Ｔ１を含む低温域におけるオフセット特性と、上限温度Ｔ２を含む高温域におけるオフセット特性に対して、それらの中間的なオフセット特性を示す中間温度となるように、基準環境温度Ｔ０が設定されることが望ましい。
具体的には、定常温度域の下限温度Ｔ１と上限温度Ｔ２の中間温度（例えば、５００℃）を含む所定の中間温度域を、基準温度域として、その範囲で基準環境温度Ｔ０を設定することができる。基準環境温度Ｔ０は、中間温度である５００℃であってもよいし、より中間的なオフセット特性を示す温度であってもよく、任意に設定することができる。好適には、５００℃を中心とする中間温度域、例えば、４００℃以上６００℃以下の範囲を、基準温度域とすることができ、オフセット特性に応じて、搭載環境による誤差がより小さくなるように、基準環境温度Ｔ０を適宜設定することができる。その場合には、低温域は、例えば、３００℃以上４００℃未満の範囲となり、高温域は、例えば、６００℃以上７００℃未満の範囲となる。
また、定常温度域は、３００℃以上７００℃以下の温度域に限らず、センサ素子１の搭載位置に応じて、適宜設定することができ、３００℃よりも低い温度域又は７００℃よりも高い温度域を含んでいてもよい。その場合には、設定された定常温度域に応じて、低温域、基準温度域、高温域の範囲も適宜変更される。
図３において、ＮＯｘ濃度補正部１０３は、オフセット補正値算出部１０３Ａを有し、基準環境温度Ｔ０における出力特性に基づく補正マップ又は補正式を、オフセット補正情報として記憶しておくことができる。オフセット補正値算出部１０３Ａは、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２にて検出されるＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉを用いて。オフセット補正値Ｃ２を算出する。ＮＯｘ濃度補正部１０３は、このオフセット補正値Ｃ２を用いて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を補正し、ＮＯｘ濃度として出力する。
図７に示すように、このようにして取得されたオフセット補正情報を用いることにより、周辺環境温度の影響を最小限に抑制することができる。図７の中図は、ＮＯｘ出力を、基準温度域（例えば、基準環境温度：５００℃）にて取得されたオフセット補正情報に基づく補正マップを用いて補正した結果を示しており、排ガスＧの温度が基準温度域のときには、ほとんど出力誤差は生じない。また、低温域又は高温域においても、Ｈ2Ｏ濃度が高くなると、ＮＯｘ出力がプラス側又はマイナス側にずれるが、全体としての出力誤差の大きさ（絶対値）は、比較的小さくなる。そのため、Ｈ2Ｏ濃度が通常の範囲であれば、定常運転状態で、定常温度域の下限温度Ｔ１又は上限温度Ｔ２に近くなっても、安定したＮＯｘ出力が得られる。
これに対して、図７の上図に示すように、ＮＯｘ出力を、低温域（例えば、下限温度Ｔ１：３００℃）にて取得されたオフセット補正情報に基づく補正マップを用いた場合には、低温域より高温側において、Ｈ2Ｏ濃度の増加と共にＮＯｘ出力がプラス側に大きくずれる。一方、図７の下図に示すように、高温域（例えば、上限温度Ｔ２：７００℃）にて取得されたオフセット補正情報に基づく補正マップを用いた場合には、高温域より低温側において、Ｈ2Ｏ濃度の増加と共にＮＯｘ出力がマイナスに大きくずれる。そのために、低温域の補正マップを用いた場合には、補正不足となり、高温域の補正マップを用いた場合には、過補正となる。
このように、適正な基準環境温度Ｔ０を設定してオフセット補正情報を取得することにより、ＮＯｘ濃度補正部１０３において、より適正な補正を行うことができる。すなわち、オフセット補正値算出部１０３Ａにおいて、オフセット補正情報と、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２からのＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉとに基づいて、温度特性が反映されたオフセット補正値Ｃ２が得られるので、これを用いてＮＯｘ濃度基準値Ｃ１をオフセット補正することにより、ＮＯ濃度の検出における周辺環境温度の影響を低減することができる。
ここで、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２において検出されるＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉは、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報、例えば、Ｏ2濃度の情報等を含むものであればよい。Ｏ2濃度の情報は、センサ素子１から入力されるポンプセル電流Ｉｐに基づいて取得することができ、予め知られるポンプセル電流ＩｐとＯ2濃度との関係に基づいて、Ｏ2濃度に変換することができる。なお、Ｏ2濃度の情報は、センサ素子１から入力されるポンプセル電流Ｉｐであってもよいし、排ガスＧ中のＯ2濃度（％）と一定の関係にある、空燃比（Ａ／Ｆ）、空気過剰率（λ＝空燃比／理論空燃比）、当量比（φ＝１／λ）等であってもよい。
また、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉは、ポンプセル電流Ｉｐのようなセンサ素子１の内部情報に基づくものに限らず、センサ素子１の外部にて取得される外部情報であってもよい。外部情報は、エンジンの運転情報や搭載環境等の情報を含み、これらの外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２においてＨ2Ｏ濃度を算出してもよいし、これらの外部情報に基づいて推定されたＨ2Ｏ濃度又はＯ2濃度の推定値を、外部情報として取得してもよい。
Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２において、外部情報は、例えば、図示しない車両用エンジン制御ユニット（すなわち、Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ；以下、ＥＣＵと称する）からの情報として、センサ制御部１０へ入力される。センサ制御部１０は、通信部やマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）、センサ素子１やＥＣＵと接続される各種端子等を備えるセンサ制御ユニットとして構成されており、センサ素子１からの内部情報又はＥＣＵからの外部情報に基づいて、ＮＯｘ濃度算出部１００において、ＮＯｘ濃度が算出される。
なお、ＥＣＵには、図示しないエアフローメータにより検出される吸入空気量や、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等からの検出信号が入力されており、これら入力情報に基づいて、エンジンＥの運転状態を知り、車両全体を制御している。
以下、ＮＯｘセンサＳの構成例及びセンサ制御部１０による制御の詳細について、説明する。
（ＮＯｘセンサＳの全体構成）
図４において、ＮＯｘセンサＳのセンサ本体１Ａは、筒状のハウジングＳ１の内側にセンサ素子１が挿通保持され、ハウジングＳ１の外周ねじ部が、排ガス通路ＥＸの通路壁ＥＸ１に固定されている。センサ本体１Ａは、センサ素子１の先端側が排ガス通路ＥＸの内部に突出位置して、素子カバーＳ２内に収容され、センサ素子１の基端側が排ガス通路ＥＸの外部に突出位置して、大気カバーＳ３内に収容される。センサ制御部１０は、センサ本体１Ａの基端側に引き出されるリード線Ｓ４を介して、センサ素子１と電気的に接続される。
素子カバーＳ２は、底面を有する二重筒構造となっており、外側カバー及び内側カバーの側面及び底面には、図示しない複数のガス流通孔が設けられる。これにより、排ガス通路ＥＸを流通する排ガスＧが、素子カバーＳ２の内部に取り込まれて、ガス検出部となるセンサ素子１の先端側が、被測定ガスである排ガスＧに晒される。また、筒状の大気カバーＳ３の側面には、図示しない複数のガス流通孔が設けられる。これにより、基準ガスである大気Ａが、大気カバーＳ３の内部に取り込まれ、センサ素子１の基端側に到達可能となっている。
図４中に拡大して示すように、センサ素子１の先端側に到達した排ガスＧは、ガス導入部３から被測定ガス室２の内部へ取り込まれて、基端側へ移動する。被測定ガス室２には、ガス流れ方向Ｘの上流側にポンプセル１ｐが、下流側にセンサセル１ｓ及びモニタセル１ｍが配置され、基準ガス室４に取り込まれる大気Ａを基準ガスとして、排ガスＧ中のＮＯｘを検出する。なお、モニタセル１ｍを流れる電流（以下、モニタセル電流と称する）Ｉｍは、第３信号として、センサ制御部１０へ出力される。
（センサ素子１の構成）
図２において、センサ素子１は、３セル構造の積層型素子であり、ガス流れ方向Ｘと直交する方向（すなわち、図２の上下方向）を積層方向として、遮蔽層１３、スペーサ層１２、固体電解質体１１、及び、ヒータ絶縁層６１が、この順で配置される。固体電解質体１１の一方の表面側には、スペーサ層１２と、遮蔽層１３とが配置されて、被測定ガス室２となる空間が形成される。また、固体電解質体１１のもう一方の表面側には、ヒータＨを構成するヒータ絶縁層６１との間に、基準ガス室４となる空間が形成される。
被測定ガス室２は、スペーサ層１２の先端面（すなわち、図２における左端面）に埋設される拡散抵抗層３１を介して、排ガスＧが存在する素子カバーＳ２（例えば、図４参照）内の空間と連通している。拡散抵抗層３１は、その外側に配置される多孔質保護層５の一部と共に、被測定ガス室２へのガス導入部３を構成し、所定の拡散抵抗下で排ガスＧが導入されるように調整されている。多孔質保護層５は、センサ素子１のガス検出部となる先端側の表面全体を覆って形成されており、被毒物質等からセンサ素子１を保護している。
センサ素子１のガス検出部には、ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍが設けられ、各セルは、それぞれ固体電解質体１１を挟んで対向する一対の電極を有する。被測定ガス室２において、固体電解質体１１の表面には、ガス流れ方向Ｘの上流側に、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１が配置され、その下流側に、センサセル１ｓのセンサ電極２２及びモニタセル１ｍのモニタ電極２３が配置される。基準ガス室４において、固体電解質体１１の表面には、これら電極２１、２２、２３と対向する位置に、共通の電極となる基準電極４１が設けられる。
共通の基準電極４１が配置される基準ガス室４は、センサ素子１の基端側（例えば、図２における右端側）まで延びており、図示しない端面に開口する基準ガス導入口を介して、大気Ａが存在する大気カバーＳ３（例えば、図４参照）内の空間と連通している。基準ガス室４の底壁となるヒータ絶縁層６１の内部には、通電により発熱する発熱体６２が埋設されて、ヒータＨを構成している。発熱体６２は、ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍの電極が形成される部位に対応して配置され、ガス検出部となる素子先端側の全体を加熱可能となっている。
これにより、各セルの一対の電極は、その一方の電極２１、２２、２３が、被測定ガス室２に導入される排ガスＧに晒され、もう一方の電極４１が、基準ガス室４に導入される大気Ａに晒される。このとき、各セルの一対の電極間に電圧を印加することにより、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体１１を介して、排ガスＧに含まれる酸素を基準ガス室４側へ汲み出し又は基準ガス室４側から汲み入れる酸素ポンピングが可能になる。また、ヒータＨを作動させることにより、各セルが活性となる温度以上に加熱して、酸素ポンピングを安定して実施可能になる。
被測定ガス室２において、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１は、ガス流れ方向Ｘの上流側に大面積で形成される。拡散抵抗層３１を通過した排ガスＧがポンプ電極２１と接触すると、その触媒作用により酸素が分解されて、基準電極４１側へ排出される。ポンプセル１ｐにより低酸素濃度に調整された排ガスＧは、下流側のセンサ電極２２及びモニタ電極２３へ到達し、センサ電極２２において、ＮＯｘに起因する酸素が残存酸素と共に酸素ポンピングにより排出される。また、モニタ電極２３において残存酸素が酸素ポンピングにより排出される。
センサ電極２２及びモニタ電極２３は、ガス流れ方向Ｘにおいて同等となる位置に並設され、ポンプ電極２１よりも小面積の同一形状に形成される。これにより、排ガスＧの流れに対して、センサ電極２２とモニタ電極２３が同等条件となり、センサセル１ｓとモニタセル１ｍの出力を比較することにより、ＮＯｘ出力に含まれる残存酸素の影響を取り除くすることができる。
固体電解質体１１は、酸化物イオン伝導性を有するジルコニア系の固体電解質材料によって構成される。ジルコニア系の固体電解質材料としては、例えば、イットリア等の安定化剤を含有する部分安定化ジルコニア又は安定化ジルコニアを用いることができる。また、拡散抵抗層３１、多孔質保護層５は、例えば、アルミナ等のセラミックス材料にて構成される。ヒータ絶縁層６１、遮蔽層１３、スペーサ層１２は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成することができる。
ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍの電極は、貴金属又は貴金属合金材料とジルコニア系固体電解質とを含む多孔質サーメット電極とすることができる。センサセル１ｓのセンサ電極２２は、検出しようとするＮＯｘに対して分解活性を有する電極材料を用いて構成される。このような電極としては、例えば、白金及びロジウムを含む電極（以下、適宜、Ｐｔ－Ｒｈ電極と称する）を用いることができる。
ポンプセル１ｐのポンプ電極２１は、酸素の分解活性を有し、ＮＯｘ分解活性を有しない電極材料を用いて構成される。このような電極としては、例えば、白金及び金を含む電極（以下、適宜、Ｐｔ－Ａｕ電極と称する）を用いることができる。モニタセル１ｍのモニタ電極２３も、ポンプ電極２１と同様の電極材料を用いて構成される。また、基準電極４１は、例えば、白金を含む電極（以下、適宜、Ｐｔ電極と称する）として構成することができる。
これにより、ヒータＨによってセンサ素子１を所定の温度に加熱し、各セルの電極間に所定の電圧を印加することにより、ポンプセル１ｐにて所定の低酸素濃度に調整された排ガスＧ中のＮＯｘを、センサセル１ｓにて検出することができる。また、センサ電極２２に用いられるＰｔ－Ｒｈ電極と、モニタ電極２３に用いられるＰｔ－Ａｕ電極とのガス吸着性の違いを利用して、センサセル１ｓとモニタセル１ｍから出力される電流の差分値をＮＯｘ出力とすることで、排ガスＧに残留する酸素の影響をキャンセルすることができる。
ただし、センサ電極２２を構成するＰｔ－Ｒｈ電極に含まれるＲｈが、ＮＯｘ及びＯ2に加えてＨ2Ｏに対しても分解活性を有することから、センサ電極２２に到達する排ガスＧ中にＨ2Ｏが含まれる場合には、これらの分解に起因する出力誤差が生じることになる。この出力誤差は、センサ制御部１０のＮＯｘ濃度算出部１００にて、予め取得したオフセット補正情報を用いて、出力補正を行う。センサ制御部１０による各部の制御と出力補正について、次に説明する。
（センサ制御部１０の構成）
図１において、センサ制御部１０は、センサ素子１の各セルからの出力電流を検出する電流検出部１０Ａと、電流検出部１０Ａにて検出されるポンプセル電流Ｉｐ、センサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍに基づいて、ＮＯｘ濃度を算出するＮＯｘ濃度算出部１００と、を有する。また、センサ制御部１０は、センサ素子１によるＮＯｘ検出を制御する検出制御部２００と、ヒータＨによるセンサ素子１の加熱を制御するヒータ制御部３００と、を備える。
センサ素子１の各セルは、検出端子Ｐ－及び検出端子Ｓ－、Ｍ－を介して、センサ制御部１０と接続され、ヒータＨの発熱体６２の両端は、一対のヒータ端子Ｈ＋、Ｈ－に接続されている。センサ制御部１０は、一対の通信用端子ＣＡＮ＋、ＣＡＮ－を介して、図示しないＥＣＵと接続されており、ＥＣＵからの指令を受けて、ＮＯｘ検出処理を行い、検出結果を出力可能となっている。また、センサ制御部１０は、電源端子ＶＢ及びグランド端子ＧＮＤを介して、図示しない車両用バッテリ及びグランドと、それぞれ接続されており、センサ制御部１０の各種回路やセンサ素子１のヒータＨ等への給電が可能となっている。
ＮＯｘ濃度算出部１００は、記憶部や演算部を備えるマイコン等にて構成されており、電流検出部１０Ａから入力されるセンサ素子１の内部情報を用いて、予め記憶されたプログラムを実行すると共に所定の演算を行って、ＮＯｘ濃度を算出する。電流検出部１０Ａは、検出端子Ｐ－を介して、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１に接続されると共に、検出端子Ｓ－、Ｍ－を介して、センサセル１ｓのセンサ電極２２及びモニタセル１ｍのモニタ電極２３に接続されている。電流検出部１０Ａは、例えば、電流検出用の抵抗を用いた検出回路を含み、抵抗の両端電位差から各セルの出力電流を検出可能に構成される。検出される出力電流は、アナログ／デジタル変換回路においてデジタル信号に変換されて、ＮＯｘ濃度算出部１００の各部へ入力される。
検出制御部２００は、ポンプセル１ｐ、モニタセル１ｍ及びセンサセル１ｓによる検出動作を、それぞれ制御する。検出制御部２００は、例えば、各セルの一対の電極間に電圧を印加するための電圧印加回路を備えており、制御指令に基づいて所定の電圧信号を生成し、共通端子ＣＯＭ＋を介して、共通の基準電極４１側に印加することができる。印加電圧は、例えば、ポンプセル１ｐの酸素ポンピングにより、被測定ガス室２内のＯ2濃度が所定の低濃度となるように、各セルを流れる電流が限界電流特性を示す範囲で調整される。
ヒータ制御部３００は、センサ素子１に内蔵されるヒータＨへの通電を制御する。ヒータ制御部３００は、例えば、電源端子ＶＢに接続されるスイッチ回路を備えており、制御指令に基づいてスイッチ回路がオンオフ駆動されることにより、ヒータ端子Ｈ＋、Ｈ－を介して、ヒータＨへの給電が制御可能となっている。これにより、ヒータＨにより加熱されるセンサ素子１の各セルが、ＮＯｘ検出に適した温度に維持される。
図３において、ＮＯｘ濃度算出部１００は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１において、電流検出部１０Ａにて検出されるセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍに基づいて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１（単位：ｐｐｍ）を算出する。具体的には、図８の上図に示されるように、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差分値［Ｉｓ－Ｉｍ］（単位：ｎＡ）と、対応するＮＯｘ濃度基準値Ｃ１との関係を、予めマップ化して記憶しておき、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍからの出力に基づいて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を算出することができる。このとき、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１は、センサセル１ｓの出力に対応して増加し、Ｈ2Ｏが混在する場合にはその影響を含むものとなっている。
Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２は、入力されるポンプセル電流Ｉｐ（単位：ｍＡ）に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度情報ＣｉとなるＯ2濃度を検出する。具体的には、図８の中図に示されるように、ポンプセル電流ＩｐとＯ2濃度との関係を、予めマップ化して記憶しておき、検出されたポンプセル電流Ｉｐの値に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有するＯ2濃度（単位：％）を算出することができる。上述したように、燃焼等に基づく排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度とＯ2濃度の関係は知られていることから、算出されたＯ2濃度を、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとして用いることができる。このとき、ポンプセル電流Ｉｐが増加するほど、Ｏ2濃度は高くなる一方、Ｈ2Ｏ濃度は低くなる関係にある。
ＮＯｘ濃度補正部１０３は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１から入力されるＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を、オフセット補正値算出部１０３Ａにて算出されるオフセット補正値Ｃ２を用いて補正する。具体的には、図８の下図に示されるように、Ｈ2Ｏ濃度情報ＣｉとしてのＯ2濃度とオフセット補正値Ｃ２との関係を、予め定めた基準環境温度Ｔ０におけるオフセット補正情報として取得し、オフセット補正マップとして記憶しておくことができる。このマップに基づいて、検出されたＯ2濃度に対応するオフセット補正値Ｃ２を算出し、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１から減算することにより、オフセット補正されたＮＯｘ濃度を算出することができる。
オフセット補正情報を取得するための試験は、例えば、モデルガスベンチを用いて行い、モデルガス中のＨ2Ｏ濃度を所定範囲（例えば、０％～約１３％）で変化させて評価することができる。具体的には、排ガスを模擬したモデルガスを、ガス供給部から所定の流量で、ガスセンサＳが設置されたガス通路へ供給し、所定の基準環境温度Ｔ０において、Ｈ2Ｏ濃度を変化させたときのセンサ素子１のＮＯｘ出力に基づいて、オフセット特性を評価した。基準環境温度Ｔ０は、実車環境で、定常運転時にセンサ素子１の搭載位置に到達するガス温度範囲から設定し、ガス通路に設けたヒータによって、センサ素子１の搭載位置のガス温度が、基準環境温度Ｔ０となるように調整した。
図９は、実車環境での走行試験結果を示すエンジンマップであり、法規で規定された認証走行パターン（ＷＬＴＣモード、ＲＤＥモード）におけるエンジン回転数及びトルクと、センサ素子１の搭載位置における周辺環境温度の関係を示している。この結果から得られるガス温度の範囲（例えば、３００℃～７００℃）を定常温度域として、その中心値（例えば、５００℃）を、基準環境温度Ｔ０とした。
図１０は、このようにして得られたオフセット特性（補正前）と、この特性線から得られるオフセット補正情報に基づく補正後のＮＯｘ出力を示している。オフセット補正情報は、補正マップとしてもよいが、例えば、補正前のＮＯｘ出力とＯ2濃度との関係を一次式（ｙ＝Ａｘ＋ｂ）で近似した補正式で表すこともでき、Ｏ2濃度に応じたオフセット補正値Ｃ２を算出して、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１から減算することにより、補正されたＮＯｘ濃度を算出することができる。このような補正後のＮＯｘ出力は、Ｏ2濃度又はＨ2Ｏ濃度の変化によるＮＯ出力誤差が低減され、精度よいＮＯｘ検出が可能になる。
なお、オフセット補正情報は、センサ素子１について個別に取得される出力特性に基づく情報であってもよいし、複数のセンサ素子１について取得される複数の出力特性を平均化した情報であってもよい。具体的には、オフセット補正情報は、個々のＮＯｘセンサＳについて、例えば、製品生産時に、それぞれの搭載環境や適用される車両情報等を考慮して取得することができる。このように、製品毎に個別に特性を取得することで、適正なオフセット補正情報に基づく補正を行うことができる。
あるいは、複数の同種のＮＯｘセンサＳについて、設計時等に共通のオフセット補正情報を取得して、同種のＮＯｘセンサＳの全体に適用するようにしてもよい。その場合には、図１１に示すように、例えば、周辺環境温度に応じた温度域（例えば、２００℃、５００℃）において、数１０～数１００の範囲のＮＯｘセンサＳについての、Ｈ2Ｏ濃度に対するＮＯｘ出力誤差の特性データを取得する。それらデータから平均値を算出することで、オフセット補正情報を共通化した場合においても、より平均的な特性に基づくオフセット補正を行うことができる。
このように、本形態によれば、ＮＯｘセンサＳのセンサ制御部１０において、ＮＯｘ濃度算出部１００がＮＯｘ濃度補正部１０３を備え、温度特性を考慮したオフセット補正情報を用いることにより、排ガスＧ中の水分に起因するＮＯｘ出力誤差を適切に補正して、ＮＯｘ濃度を算出することができる。
（実施形態２）
ＮＯｘセンサに係る実施形態２について、図面に基づいて説明する。本形態では、上述したセンサ制御部１０による検出制御部２００にて実施される検出制御について、具体的な手順の一例を示す。図１２に示すように、検出制御部２００は、電圧印加回路２０１と、電圧印加指示部２０２とを有して、酸素ポンピングのためにポンプセル１ｐへ印加されるポンプセル電圧Ｖｐを制御している。本形態のＮＯｘセンサＳにおいて、センサ素子１の基本構成及びセンサ制御部１０の基本制御は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
図１２において、センサ制御部１０は、検出制御部２００により、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１と基準電極４１の間に、所定のポンプセル電圧Ｖｐを印加すると共に、図示しないヒータ制御部３００（例えば、図１参照）によって、ポンプセル１ｐが所定の温度となるように、ヒータＨへの通電を制御している。検出制御部２００は、電圧印加指示部２０２からの指示電圧Ｖ０に基づいて、電圧印加回路２０１にて、指示電圧Ｖ０に対応する電圧信号を生成し、ポンプセル１ｐの基準電極４１側に印加する。センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍにも同等の電圧が印加される。これにより、被測定ガス室２に導入される排ガスＧは、ポンプ電極２１において酸素の還元分解により生成する酸化物イオンが、基準電極４１側へ移動することにより、ポンプセル電流Ｉｐが流れる。排ガスＧ中のＮＯｘとＨ2Ｏは、ポンプ電極２１上を移動して下流側へ向かう。
ここで、例えば、電圧印加回路２０１への指示電圧Ｖ０に対して、実際のポンプセル１ｐへの印加電圧が大きくなると、ポンプ電極２１での触媒反応がより活性化されて、排ガスＧ中のＨ2Ｏの一部が分解される。このとき、印加電圧が大きくなるほど、センサセル１ｓに到達するＨ2Ｏが減少すると考えられる。これらの反応により、センサセル電流Ｉｓやモニタセル電流Ｉｍにもばらつきが生じ、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍに基づくＮＯｘ出力がばらつくおそれがある。また、ポンプセル電流Ｉｐに基づいてＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉを検出する場合には、オフセット補正値Ｃ２の算出にも影響する。
一方、検出制御部２００において、電圧印加回路２０１から所定の指示電圧Ｖ０が出力されるように制御した場合でも、製品自体が所定のばらつきを有するために（例えば、２０℃で±２０ｍＶ程度）、実際の印加電圧が指示電圧Ｖ０に対してばらつくことがある。そのため、図１３に示すように、複数のＮＯｘセンサＳを比較したときに、電圧印加回路２０１による印加電圧のばらつきが異なると、Ｈ2Ｏの分解に起因するＮＯｘ出力誤差のばらつきも異なり、固定値によるオフセット補正を共通化した場合に、補正精度を確保することが難しい。
そこで、図１４に示すように、検出制御部２００の電圧印加指示部２０２に、指示電圧補正部２０３を設けて、指示電圧Ｖ０を補正した補正指示電圧Ｖ２を、電圧印加指示部２０２に出力する。具体的には、指示電圧補正部２０３は、電圧印加指示部２０２から各セルへ実際に印加される実電圧Ｖ１を検出する電圧検出部２０３ａと、実電圧Ｖ１と指示電圧Ｖ０との差分値を算出して、補正値Ｖ１－Ｖ０として出力する補正値算出部２０３ｂとを備える。電圧印加指示部２０２からの指示電圧Ｖ０は、指示電圧補正部２０３において、補正値Ｖ１－Ｖ０が減算されることにより、補正された補正指示電圧Ｖ２として、電圧印加回路２０１へ出力される。
図１５は、指示電圧補正部２０３を備えない構成であり、検出制御部２００の電圧印加回路２０１は、センサ素子１の各セルへの印加電圧を、電圧印加指示部２０２からの指示電圧Ｖ０に応じて生成可能に構成されている。電圧印加指示部２０２は、例えば、ポンプセル１ｐにおける酸素ポンピング動作が適切となるように、予め設定された指示電圧Ｖ０に対応するパルス信号を出力し、電圧印加回路２０１において、パルス信号に対応するパルス電圧が出力される。これにより、上述した図１に示されるセンサ制御部１０の共通端子ＣＯＭ＋を介して、各セルへ所定の電圧が印加される。この構成では、指示電圧Ｖ０に対して、電圧印加回路２０１から出力される実電圧Ｖ１がばらつくと、上述したように、電圧が高くなることによるＮＯｘ出力誤差が大きくなるおそれがある。
これに対して、指示電圧補正部２０３を備える場合には、以下の式により表される補正指示電圧Ｖ２が印加されることになる、。
補正指示電圧Ｖ２＝指示電圧Ｖ０－補正値［実電圧Ｖ１－指示電圧Ｖ０］
このようにして補正された補正指示電圧Ｖ２が、電圧印加回路２０１へ出力されることにより、実際の印加電圧が、本来の指示電圧Ｖ０となる。そして、ポンプセル１ｐにおけるＨ2Ｏの分解反応が抑制され、センサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍのばらつきが抑制されることにより、ＮＯｘ出力誤差を低減することができる。
なお、ポンプセル１ｐへの指示電圧Ｖ０は、酸素ポンピングにより所望の低酸素濃度に調整可能となり、ポンプセル１ｐにおけるＨ2Ｏの分解反応が抑制可能となるように、任意に設定することができる。好適には、指示電圧Ｖ０を、電圧印加回路２０１の個体間のばらつきなく設定することにより、Ｈ2Ｏの分解反応のばらつきが抑制される効果が高くなり、印加電圧のばらつき等による出力誤差を抑制することができる。
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。例えば、ＮＯｘセンサＳは、車両用エンジンからの排ガスＧに限らず、各種内燃機関等から排出されるガスを被測定ガスとするＮＯｘ検出に適用することができる。また、ＮＯｘセンサＳのセンサ素子１の各部の構造やセンサ制御部１０における各部の制御手順等は、適宜変更することができる。
１ センサ素子
１ｐ ポンプセル（第１セル）
１ｓ センサセル（第２セル）
１０ センサ制御部
１０１ ＮＯｘ濃度基準値算出部
１０２ Ｈ2Ｏ濃度情報検出部
１０３ ＮＯｘ濃度補正部
２ 被測定ガス室
Ｓ ＮＯセンサ
Ｉｐ ポンプセル電流（第１信号）
Ｉｓ センサセル電流（第２信号）

Claims (8)

  1. 被測定ガス（Ｇ）に含まれるＮＯｘを検出するセンサ素子（１）と、上記センサ素子を加熱するヒータ（Ｈ）と、上記センサ素子及び上記ヒータの動作を制御すると共に、上記センサ素子からの信号に基づいてＮＯｘ濃度を算出するセンサ制御部（１０）と、を備えるＮＯｘセンサ（Ｓ）であって、
    上記センサ素子は、
    ガス導入部（３）を介して上記被測定ガスが導入され、固体電解質体（１１）を室壁とする被測定ガス室（２）と、
    上記被測定ガス室において、導入されるガス流れの上流側に配置され、上記被測定ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号（Ｉｐ）を出力する第１セル（１ｐ）、及び、上記第１セルよりも下流側に配置され、上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号（Ｉｓ）を出力する第２セル（１ｓ）と、を有しており、
    上記センサ制御部は、
    上記第２信号に基づくＮＯｘ濃度基準値（Ｃ１）を算出するＮＯｘ濃度基準値算出部（１０１）と、
    上記第１信号又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報（Ｃｉ）を検出するＨ2Ｏ濃度情報検出部（１０２）と、
    上記ＮＯｘ濃度基準値を、上記Ｈ2Ｏ濃度情報に基づいてオフセット補正する、ＮＯｘ濃度補正部（１０３）と、を有し、
    上記ＮＯｘ濃度補正部は、予め定められた基準環境温度（Ｔ０）にて取得される上記センサ素子の出力特性に基づいて、上記Ｈ2Ｏ濃度情報に対応する上記第２信号のオフセット補正情報を記憶しており、上記基準環境温度は、上記センサ素子の搭載環境における上記被測定ガスの定常温度域に設定される、ＮＯｘセンサ。
  2. 上記センサ素子は、上記被測定ガスが排出される内燃機関の排ガス通路（ＥＸ）に搭載されており、上記定常温度域は、上記内燃機関が定常運転状態にあるときに、上記センサ素子の搭載位置に到達する上記被測定ガスが取り得る温度域である、請求項１に記載のＮＯｘセンサ。
  3. 上記基準環境温度は、上記定常温度域の下限温度よりも高温側の温度域に設定される、請求項１又は２に記載のＮＯｘセンサ。
  4. 上記基準環境温度は、上記センサ素子が、上記定常温度域の下限温度を含む低温域にて取得される出力特性と、上記定常温度域の上限温度を含む高温域にて取得される出力特性との中間の出力特性を示す基準温度域に設定される、請求項１～３のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
  5. 上記基準環境温度は、３００℃以上７００℃以下の範囲に設定される、請求項１～４のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
  6. 上記オフセット補正情報は、上記センサ素子について個別に取得される出力特性に基づく情報である、請求項１～４のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
  7. 上記オフセット補正情報は、複数の上記センサ素子について取得される複数の出力特性を平均化した情報である、請求項１～４のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
  8. 上記センサ制御部は、上記第１セル及び上記第２セルへの印加電圧を制御する検出制御部（２００）を備えており、
    上記検出制御部は、電圧印加指示部（２０２）から入力される指示電圧（Ｖ０）に応じた電圧を生成する電圧印加回路（２０１）と、指示電圧補正部（２０３）とを備え、上記指示電圧補正部は、上記電圧印加回路にて生成される実電圧（Ｖ１）を検出する電圧検出部（２０３ａ）と、上記指示電圧を、上記指示電圧と上記実電圧との差分値に基づいて補正する補正値算出部（２０３ｂ）とを備える、請求項１～７のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
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