JP3501956B2 - 窒素酸化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法 - Google Patents
窒素酸化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法Info
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】燃焼器や、自動車、船舶、飛
行機等の移動用、産業用の内燃機関の排ガス成分、ボイ
ラ等の燃焼ガス成分を検出するために使用される窒素酸
化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法
に関し、特に、被測定ガス中の酸素濃度が急変する雰囲
気において窒素酸化物濃度を測定する窒素酸化物濃度測
定器の制御方法及びその装置に関する。
行機等の移動用、産業用の内燃機関の排ガス成分、ボイ
ラ等の燃焼ガス成分を検出するために使用される窒素酸
化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法
に関し、特に、被測定ガス中の酸素濃度が急変する雰囲
気において窒素酸化物濃度を測定する窒素酸化物濃度測
定器の制御方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、排ガス規制の強化に伴い、エンジ
ン等の排ガス中のＮＯｘを直接測定し、エンジンの制御
や触媒のコントロールを行う研究が行われている。例え
ば、第１測定室に導入された被測定ガス中の酸素を、Ｚ
ｒＯ２等の酸素イオン導電体からなる第１酸素イオンポ
ンプセルによって、ＮＯｘが分解しない程度に汲み出
し、酸素濃度が低くされたガスを第２測定室に導入し、
ＺｒＯ２等の酸素イオン導電体からなる第２酸素イオン
ポンプセルによって、第２測定室に導入されたガスから
さらに酸素を汲み出すことでＮＯｘを分解し、ＮＯｘ濃
度を第２酸素イオンポンプセルに流れる電流として検出
するＮＯｘガスセンサ（窒素酸化物濃度測定器）は、Ｈ
Ｃ、ＣＯ等の妨害ガスの影響を比較的受けずにＮＯｘガ
ス濃度が測定できることから、近年広く研究が行われて
いる。一般的に、このような窒素酸化物センサでは、Ｚ
ｒＯ２等の酸素イオン導電体の両面に一対の電極が配置
され、それぞれ一方の電極が前記第１測定室の雰囲気、
他方の電極が基準となる酸素雰囲気に曝され、該第１測
定室内の酸素濃度を測定する酸素分圧検知セルの出力を
基に、前記第１酸素イオンポンプセルへ印加する電圧を
変化させて、該第１測定室内の酸素濃度が一定となるよ
うに制御している。
ン等の排ガス中のＮＯｘを直接測定し、エンジンの制御
や触媒のコントロールを行う研究が行われている。例え
ば、第１測定室に導入された被測定ガス中の酸素を、Ｚ
ｒＯ２等の酸素イオン導電体からなる第１酸素イオンポ
ンプセルによって、ＮＯｘが分解しない程度に汲み出
し、酸素濃度が低くされたガスを第２測定室に導入し、
ＺｒＯ２等の酸素イオン導電体からなる第２酸素イオン
ポンプセルによって、第２測定室に導入されたガスから
さらに酸素を汲み出すことでＮＯｘを分解し、ＮＯｘ濃
度を第２酸素イオンポンプセルに流れる電流として検出
するＮＯｘガスセンサ（窒素酸化物濃度測定器）は、Ｈ
Ｃ、ＣＯ等の妨害ガスの影響を比較的受けずにＮＯｘガ
ス濃度が測定できることから、近年広く研究が行われて
いる。一般的に、このような窒素酸化物センサでは、Ｚ
ｒＯ２等の酸素イオン導電体の両面に一対の電極が配置
され、それぞれ一方の電極が前記第１測定室の雰囲気、
他方の電極が基準となる酸素雰囲気に曝され、該第１測
定室内の酸素濃度を測定する酸素分圧検知セルの出力を
基に、前記第１酸素イオンポンプセルへ印加する電圧を
変化させて、該第１測定室内の酸素濃度が一定となるよ
うに制御している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、本発明
者らの知見によれば、被測定ガス中の酸素濃度が大きく
変化する場合、前述の第１酸素イオンポンプセルに対す
る電圧制御に遅れが生じ、上記窒素酸化物センサにより
正確な窒素酸化物濃度測定を測定することが困難である
ことが分かった。特に、近年増加してきたガソリンのリ
ーンバーンエンジンや、ディーゼルエンジンでは排ガス
中の酸素濃度が運転条件により大きく変化するため、酸
素分圧検知セル電位を基にＰ．Ｉ．Ｄ制御などを用いて
も、第１酸素イオンポンプセルのポンプ能力を変化制御
させる方法だけでは排ガス中のＮＯｘ濃度を正確に測定
することは困難であることが分かった。
者らの知見によれば、被測定ガス中の酸素濃度が大きく
変化する場合、前述の第１酸素イオンポンプセルに対す
る電圧制御に遅れが生じ、上記窒素酸化物センサにより
正確な窒素酸化物濃度測定を測定することが困難である
ことが分かった。特に、近年増加してきたガソリンのリ
ーンバーンエンジンや、ディーゼルエンジンでは排ガス
中の酸素濃度が運転条件により大きく変化するため、酸
素分圧検知セル電位を基にＰ．Ｉ．Ｄ制御などを用いて
も、第１酸素イオンポンプセルのポンプ能力を変化制御
させる方法だけでは排ガス中のＮＯｘ濃度を正確に測定
することは困難であることが分かった。
【０００４】以上の事情に鑑み、本発明の課題は、被測
定ガス中の酸素分圧が変化した際でも、正確な窒素酸化
物濃度測定を可能とする窒素酸化物濃度測定装置及び窒
素酸化物濃度測定器の制御方法を提供することである。
定ガス中の酸素分圧が変化した際でも、正確な窒素酸化
物濃度測定を可能とする窒素酸化物濃度測定装置及び窒
素酸化物濃度測定器の制御方法を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本発明は、第１の視点に
おいて、第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される
第１測定室と、前記第１測定室外又は内へ酸素を十分に
汲み出す又は汲み込む第１酸素イオンポンプセルと、前
記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入され
る第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に設けら
れた一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印加され
て該第２測定室中の窒素酸化物を分解し、解離した酸素
を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた電流（以
下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流れる第２
酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室の酸素分圧を
検出するための酸素分圧検知電極を備えた酸素分圧検知
セルと、被測定ガス中の酸素分圧が変化した際に、該変
化に応じて前記第２酸素イオンポンプ電流に基づき窒素
酸化物濃度を求める手段と、を有し、前記窒素酸化物濃
度を求める手段は、前記酸素分圧検知セルの出力に基づ
いて前記第２酸素イオンポンプ電流に基づく窒素酸化物
濃度検出出力を補正する補正手段を備える。
おいて、第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される
第１測定室と、前記第１測定室外又は内へ酸素を十分に
汲み出す又は汲み込む第１酸素イオンポンプセルと、前
記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入され
る第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に設けら
れた一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印加され
て該第２測定室中の窒素酸化物を分解し、解離した酸素
を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた電流（以
下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流れる第２
酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室の酸素分圧を
検出するための酸素分圧検知電極を備えた酸素分圧検知
セルと、被測定ガス中の酸素分圧が変化した際に、該変
化に応じて前記第２酸素イオンポンプ電流に基づき窒素
酸化物濃度を求める手段と、を有し、前記窒素酸化物濃
度を求める手段は、前記酸素分圧検知セルの出力に基づ
いて前記第２酸素イオンポンプ電流に基づく窒素酸化物
濃度検出出力を補正する補正手段を備える。
【０００６】 第２の視点において、前記補正手段は、
前記第１酸素イオンポンプセルへの印加電圧が前記酸素
分圧検知セルの出力に基づいて制御され、該第１酸素イ
オンポンプセルに流れる電流（以下「第１酸素イオンポ
ンプ電流」という）の変化量に基づいて、前記窒素酸化
物濃度検出出力を補正する。
前記第１酸素イオンポンプセルへの印加電圧が前記酸素
分圧検知セルの出力に基づいて制御され、該第１酸素イ
オンポンプセルに流れる電流（以下「第１酸素イオンポ
ンプ電流」という）の変化量に基づいて、前記窒素酸化
物濃度検出出力を補正する。
【０００７】 第３の視点において、被測定ガス中の酸
素分圧の変化に応じて、前記第２酸素イオンポンプセル
に印可する電圧を制御する手段を有する。第４の視点に
おいて、前記制御手段は、前記酸素分圧が低い場合は、
前記第２酸素イオンポンプセルに印加される電圧を低下
させ、高い場合には該電圧を上昇させる。
素分圧の変化に応じて、前記第２酸素イオンポンプセル
に印可する電圧を制御する手段を有する。第４の視点に
おいて、前記制御手段は、前記酸素分圧が低い場合は、
前記第２酸素イオンポンプセルに印加される電圧を低下
させ、高い場合には該電圧を上昇させる。
【０００８】 第５の視点において、前記第１測定室な
いし前記第２測定室内の酸素分圧を検出する酸素分圧検
知セルを備えた窒素酸化物濃度測定器と、前記酸素分圧
検知セルの出力及び前記第２酸素イオンポンプセルの出
力を入力とし、該酸素分圧検知セルの出力が変化した際
に、前記第２酸素イオンポンプセルの出力に基づき前記
窒素酸化物濃度測定器の窒素酸化物濃度検出出力を補正
する窒素酸化物濃度演算部と、を有する。
いし前記第２測定室内の酸素分圧を検出する酸素分圧検
知セルを備えた窒素酸化物濃度測定器と、前記酸素分圧
検知セルの出力及び前記第２酸素イオンポンプセルの出
力を入力とし、該酸素分圧検知セルの出力が変化した際
に、前記第２酸素イオンポンプセルの出力に基づき前記
窒素酸化物濃度測定器の窒素酸化物濃度検出出力を補正
する窒素酸化物濃度演算部と、を有する。
【０００９】 第６の視点において、さらに、前記酸素
分圧検知セルの出力が一定となるように、前記第１酸素
イオンポンプセルを制御する酸素分圧一定制御部と、前
記酸素分圧検知セルの出力の変化量と前記第２酸素イオ
ンポンプ電流のオフセットの関係を予め記憶した記憶部
と、を有し、前記窒素酸化物濃度演算部は、前記酸素分
圧検知セルの出力の変化量に応じて、前記記憶部から所
定のデータを読み出し、該データに基づいて前記第２酸
素イオンポンプ電流のオフセットの値を可変して、前記
窒素酸化物濃度検出出力を補正する。
分圧検知セルの出力が一定となるように、前記第１酸素
イオンポンプセルを制御する酸素分圧一定制御部と、前
記酸素分圧検知セルの出力の変化量と前記第２酸素イオ
ンポンプ電流のオフセットの関係を予め記憶した記憶部
と、を有し、前記窒素酸化物濃度演算部は、前記酸素分
圧検知セルの出力の変化量に応じて、前記記憶部から所
定のデータを読み出し、該データに基づいて前記第２酸
素イオンポンプ電流のオフセットの値を可変して、前記
窒素酸化物濃度検出出力を補正する。
【００１０】 本発明は、第７の視点において、前記第
１測定室から該測定室外へ被測定ガス中の酸素を窒素酸
化物のすべてが分解しない程度に十分に汲み出す第１酸
素イオンポンプセルを有する。第７の視点に基づく第８
の視点は、第２の視点の内容と同様である。
１測定室から該測定室外へ被測定ガス中の酸素を窒素酸
化物のすべてが分解しない程度に十分に汲み出す第１酸
素イオンポンプセルを有する。第７の視点に基づく第８
の視点は、第２の視点の内容と同様である。
【００１１】なお、第２測定室に酸素濃度が十分に低下
したガスを拡散するためには、第１測定室において窒素
酸化物（特にＮＯ）が一部（例えば、0.5％以上、好ま
しくは１〜５０％程度）分解する程度に第１酸素イオン
ポンプセルの動作を制御することが好ましく、その場合
は、第１酸素イオンポンプセルに流れる電流に基づき第
１測定室における窒素酸化物の分解量を補償することも
可能である。
したガスを拡散するためには、第１測定室において窒素
酸化物（特にＮＯ）が一部（例えば、0.5％以上、好ま
しくは１〜５０％程度）分解する程度に第１酸素イオン
ポンプセルの動作を制御することが好ましく、その場合
は、第１酸素イオンポンプセルに流れる電流に基づき第
１測定室における窒素酸化物の分解量を補償することも
可能である。
【００１２】図１〜図３を参照して、本発明の原理及び
基礎となる発明を説明する。図１（ａ）は、本発明の制
御方法が好適に適用される窒素酸化物濃度測定器の概略
構成を説明するための断面図であり、その断面は図１
（ｂ）に斜線で示す断面に相当する。図１（ａ）に示し
た測定器は、それぞれ２組の拡散抵抗部、酸素イオンポ
ンプセル、及び測定室を有し、第１の固体電解質層を挟
んで設けられた一対の電極６ａ，６ｂを備えた第１酸素
イオンポンプセル６、第２の固体電解質層を挟んで設け
られた一対の酸素分圧検知電極７ａ，７ｂを備えた酸素
分圧検知セル７、第３の固体電解質層を挟んで設けられ
た一対の電極８ａ，８ｂを備えた第２酸素イオンポンプ
セル８の順に積層され、各固体電解質層の層間には絶縁
層がそれぞれ形成されている。そして、第１酸素イオン
ポンプセル６と酸素分圧検知セル７の層間には、絶縁層
及び固体電解質層によって第１測定室２が画成され、同
様に絶縁層及び固体電解質層により第２酸素イオンポン
プセル８の上部に第２測定室４が画成されている。さら
に、第１測定室２を囲む壁面には拡散抵抗を有する第１
拡散孔１が複数設けられ、第１測定室２の断面中央部に
は第２拡散孔３の開口が第１拡散孔１と離間して設けら
れている。第２拡散孔３は、酸素分圧検知セル７及び固
体電解質層を貫通して第１、第２測定室２，４を拡散抵
抗をもって連通する。
基礎となる発明を説明する。図１（ａ）は、本発明の制
御方法が好適に適用される窒素酸化物濃度測定器の概略
構成を説明するための断面図であり、その断面は図１
（ｂ）に斜線で示す断面に相当する。図１（ａ）に示し
た測定器は、それぞれ２組の拡散抵抗部、酸素イオンポ
ンプセル、及び測定室を有し、第１の固体電解質層を挟
んで設けられた一対の電極６ａ，６ｂを備えた第１酸素
イオンポンプセル６、第２の固体電解質層を挟んで設け
られた一対の酸素分圧検知電極７ａ，７ｂを備えた酸素
分圧検知セル７、第３の固体電解質層を挟んで設けられ
た一対の電極８ａ，８ｂを備えた第２酸素イオンポンプ
セル８の順に積層され、各固体電解質層の層間には絶縁
層がそれぞれ形成されている。そして、第１酸素イオン
ポンプセル６と酸素分圧検知セル７の層間には、絶縁層
及び固体電解質層によって第１測定室２が画成され、同
様に絶縁層及び固体電解質層により第２酸素イオンポン
プセル８の上部に第２測定室４が画成されている。さら
に、第１測定室２を囲む壁面には拡散抵抗を有する第１
拡散孔１が複数設けられ、第１測定室２の断面中央部に
は第２拡散孔３の開口が第１拡散孔１と離間して設けら
れている。第２拡散孔３は、酸素分圧検知セル７及び固
体電解質層を貫通して第１、第２測定室２，４を拡散抵
抗をもって連通する。
【００１３】次に、図１に示したようなセンサにおける
窒素酸化物濃度検出原理を説明する。図２に示す通り、
ステップ２０１〜２０５により第２酸素イオンポンプセ
ルに流れる第２酸素イオンポンプ電流Ｉｐ２が窒素酸化
物の分解により生じた酸素量に比例することを利用し
て、窒素酸化物濃度を求めることができる。なお、第
１、第２拡散抵抗は、図１においては、第１拡散孔１、
第２拡散孔３が有するガス拡散抵抗にそれぞれ相当す
る。
窒素酸化物濃度検出原理を説明する。図２に示す通り、
ステップ２０１〜２０５により第２酸素イオンポンプセ
ルに流れる第２酸素イオンポンプ電流Ｉｐ２が窒素酸化
物の分解により生じた酸素量に比例することを利用し
て、窒素酸化物濃度を求めることができる。なお、第
１、第２拡散抵抗は、図１においては、第１拡散孔１、
第２拡散孔３が有するガス拡散抵抗にそれぞれ相当す
る。
【００１４】ところで、実際には、所定以下の低酸素濃
度雰囲気では、窒素酸化物の（過剰な）分解が起きるな
どの制約のため、第１測定室において酸素を完全に汲み
出すことができない。従って、第２酸素イオンポンプセ
ルによって第２測定室から汲み出される酸素は、第２測
定室において窒素酸化物の分解により生じる酸素と、第
１測定室で汲みきれず第２測定室に拡散した酸素の両方
である。すなわち、第２酸素イオンポンプセルに流れる
電流は、第２測定室の残存酸素濃度と窒素酸化物濃度の
両方に影響されるものとなるから、正確な窒素酸化物濃
度の測定を行うためには、残存酸素の影響を排除する必
要がある。
度雰囲気では、窒素酸化物の（過剰な）分解が起きるな
どの制約のため、第１測定室において酸素を完全に汲み
出すことができない。従って、第２酸素イオンポンプセ
ルによって第２測定室から汲み出される酸素は、第２測
定室において窒素酸化物の分解により生じる酸素と、第
１測定室で汲みきれず第２測定室に拡散した酸素の両方
である。すなわち、第２酸素イオンポンプセルに流れる
電流は、第２測定室の残存酸素濃度と窒素酸化物濃度の
両方に影響されるものとなるから、正確な窒素酸化物濃
度の測定を行うためには、残存酸素の影響を排除する必
要がある。
【００１５】そこで、本発明の基礎となる発明によれば
次のように酸素の影響を排除する。すなわち、予め、
窒素酸化物濃度をゼロとし、酸素濃度を変えた被測定
ガス（種々の酸素濃度のガス）を測定器に投入して、第
２酸素イオンポンプセルに流れる電流量（以下この電流
量を「オフセット」という）を測定する。 標準窒素
酸化物濃度の被測定ガスを測定器に投入して、第２酸素
イオンポンプセルに流れる電流量を測定する。 これ
らの測定値より、第２酸素イオンポンプ電流の変化量の
“ゲイン”を定める。ゲインは下式で表される。
次のように酸素の影響を排除する。すなわち、予め、
窒素酸化物濃度をゼロとし、酸素濃度を変えた被測定
ガス（種々の酸素濃度のガス）を測定器に投入して、第
２酸素イオンポンプセルに流れる電流量（以下この電流
量を「オフセット」という）を測定する。 標準窒素
酸化物濃度の被測定ガスを測定器に投入して、第２酸素
イオンポンプセルに流れる電流量を測定する。 これ
らの測定値より、第２酸素イオンポンプ電流の変化量の
“ゲイン”を定める。ゲインは下式で表される。
【００１６】“ゲイン”＝（標準窒素酸化物濃度）／
（発生電流量−オフセット）
（発生電流量−オフセット）
【００１７】このように算出されたオフセットの値とゲ
インの値をメモリ等の記憶手段に記憶しておき、測定
時、これらオフセット及びゲインと、第２酸素ポンプセ
ルに流れる電流量がマイクロコンピュータなどに入力さ
れて、窒素酸化物濃度が算出される。
インの値をメモリ等の記憶手段に記憶しておき、測定
時、これらオフセット及びゲインと、第２酸素ポンプセ
ルに流れる電流量がマイクロコンピュータなどに入力さ
れて、窒素酸化物濃度が算出される。
【００１８】しかし、被測定ガス中の酸素濃度が変化し
た際には、Ｐ．Ｉ．Ｄ等の制御方法を用いて、第１酸素
イオンポンプセルにより第１測定室内が一定酸素濃度に
なる様に酸素を汲み出そうとしても、制御の遅れなどが
発生し、第１測定室内が一定酸素濃度とならないため、
第１測定室内の酸素濃度が下がり過ぎて第１測定室内で
ＮＯが分解し、第２測定室でＮＯを測定する際に出力が
減少したり、あるいは酸素濃度が高くなった場合には、
第１測定室で本来汲み出されるべき余剰酸素分も測定す
るため、出力が高くでてＮＯ量が正確に測定できないと
いう問題があることが分かった。
た際には、Ｐ．Ｉ．Ｄ等の制御方法を用いて、第１酸素
イオンポンプセルにより第１測定室内が一定酸素濃度に
なる様に酸素を汲み出そうとしても、制御の遅れなどが
発生し、第１測定室内が一定酸素濃度とならないため、
第１測定室内の酸素濃度が下がり過ぎて第１測定室内で
ＮＯが分解し、第２測定室でＮＯを測定する際に出力が
減少したり、あるいは酸素濃度が高くなった場合には、
第１測定室で本来汲み出されるべき余剰酸素分も測定す
るため、出力が高くでてＮＯ量が正確に測定できないと
いう問題があることが分かった。
【００１９】そこで、本発明者らは、上記問題を解決す
るために鋭意研究を行い本発明を完成するに至った。以
下、本発明に基づく装置と比較例（本発明の基礎となる
発明）に係る装置を対比して説明する。まず、図３及び
図４を参照して、比較例に係る装置を説明する。図３に
示した素子部分の構成は図１に示したものと同様であ
る。図３において、差動アンプ３０の一方の入力端子に
は、酸素分圧検知セル７の基準電極７ｂが電気的に接続
して酸素分圧検知セル７の出力電圧が入力し、他方の入
力端子には参照電源が接続する。差動アンプ３０の出力
端子は制御器３１の入力端子に電気的に接続する。制御
器３１は、酸素分圧検知セル７の起電力と参照電源の電
圧の偏差に基づき比例、積分及び微分制御などを行って
酸素分圧検知セル７の起電力が参照電源の電圧と等しく
なるように、第１酸素イオンポンプセル６の一対の電極
６ａ，６ｂ間に印加する電圧を制御する。
るために鋭意研究を行い本発明を完成するに至った。以
下、本発明に基づく装置と比較例（本発明の基礎となる
発明）に係る装置を対比して説明する。まず、図３及び
図４を参照して、比較例に係る装置を説明する。図３に
示した素子部分の構成は図１に示したものと同様であ
る。図３において、差動アンプ３０の一方の入力端子に
は、酸素分圧検知セル７の基準電極７ｂが電気的に接続
して酸素分圧検知セル７の出力電圧が入力し、他方の入
力端子には参照電源が接続する。差動アンプ３０の出力
端子は制御器３１の入力端子に電気的に接続する。制御
器３１は、酸素分圧検知セル７の起電力と参照電源の電
圧の偏差に基づき比例、積分及び微分制御などを行って
酸素分圧検知セル７の起電力が参照電源の電圧と等しく
なるように、第１酸素イオンポンプセル６の一対の電極
６ａ，６ｂ間に印加する電圧を制御する。
【００２０】図４に示した比較例に係る装置は、図３に
示した差動アンプ３０及び制御器３１に相当するＶｓ一
定制御部４１を備え、さらに、第１、第２酸素イオンポ
ンプ電流をそれぞれ入力とし、酸素濃度値及びＮＯｘ濃
度値を出力とするコントローラ４０を備えている。Ｖｓ
一定制御部４１は、酸素分圧検知セル７の出力を入力と
し、第１酸素イオンポンプセル６に印加する電圧を制御
して、酸素分圧検知セル７の起電力を一定とする。コン
トローラ４０は、その結果第１酸素イオンポンプセル６
に流れる第１酸素イオンポンプ電流、及び第２酸素イオ
ンポンプセル８に流れる第２酸素イオンポンプ電流を入
力とし、その酸素濃度演算部４０ａは第１酸素イオンポ
ンプ電流に基づいて酸素濃度を求め出力すると共に、酸
素濃度補正信号を出力する。また、コントローラ４０の
ＮＯｘ濃度演算部４０ｂは、この酸素濃度補正信号及び
第２酸素イオンポンプ電流を入力とし、これらに基づい
て酸素濃度補正された窒素酸化物濃度値を出力する。す
なわち、図４に示したシステムは、酸素分圧（濃度）一
定の定常状態を仮定し、第１酸素イオンポンプ電流に基
づき、窒素酸化物濃度検出の酸素濃度補正（補正量が一
定）が行われている。
示した差動アンプ３０及び制御器３１に相当するＶｓ一
定制御部４１を備え、さらに、第１、第２酸素イオンポ
ンプ電流をそれぞれ入力とし、酸素濃度値及びＮＯｘ濃
度値を出力とするコントローラ４０を備えている。Ｖｓ
一定制御部４１は、酸素分圧検知セル７の出力を入力と
し、第１酸素イオンポンプセル６に印加する電圧を制御
して、酸素分圧検知セル７の起電力を一定とする。コン
トローラ４０は、その結果第１酸素イオンポンプセル６
に流れる第１酸素イオンポンプ電流、及び第２酸素イオ
ンポンプセル８に流れる第２酸素イオンポンプ電流を入
力とし、その酸素濃度演算部４０ａは第１酸素イオンポ
ンプ電流に基づいて酸素濃度を求め出力すると共に、酸
素濃度補正信号を出力する。また、コントローラ４０の
ＮＯｘ濃度演算部４０ｂは、この酸素濃度補正信号及び
第２酸素イオンポンプ電流を入力とし、これらに基づい
て酸素濃度補正された窒素酸化物濃度値を出力する。す
なわち、図４に示したシステムは、酸素分圧（濃度）一
定の定常状態を仮定し、第１酸素イオンポンプ電流に基
づき、窒素酸化物濃度検出の酸素濃度補正（補正量が一
定）が行われている。
【００２１】これに対し、図５に示す、本発明に基づく
窒素酸化物濃度測定装置によれば、図４に示した制御構
成に加えて、Ｖｓ一定制御部４１の酸素濃度検出出力
（酸素濃度検出電圧）がＮＯｘ濃度演算部４０ｂに直接
入力する。そして、ＮＯｘ濃度演算部４０ｂは、上述の
酸素濃度補正信号及び第２酸素イオンポンプ電流に加え
て、さらに酸素濃度検出出力（酸素濃度検出電圧）の変
化率（変化量）に基づき窒素酸化物濃度検出の酸素濃度
補正を行う。この制御装置によれば、被測定ガス中の酸
素濃度が大きく変動した場合であっても（酸素分圧の非
定常状態）、酸素濃度変化率（変化量）に応じて窒素酸
化物濃度検出出力が補正することができ、酸素濃度の変
動の影響が排除されて正確な窒素酸化物濃度検出が行わ
れる。
窒素酸化物濃度測定装置によれば、図４に示した制御構
成に加えて、Ｖｓ一定制御部４１の酸素濃度検出出力
（酸素濃度検出電圧）がＮＯｘ濃度演算部４０ｂに直接
入力する。そして、ＮＯｘ濃度演算部４０ｂは、上述の
酸素濃度補正信号及び第２酸素イオンポンプ電流に加え
て、さらに酸素濃度検出出力（酸素濃度検出電圧）の変
化率（変化量）に基づき窒素酸化物濃度検出の酸素濃度
補正を行う。この制御装置によれば、被測定ガス中の酸
素濃度が大きく変動した場合であっても（酸素分圧の非
定常状態）、酸素濃度変化率（変化量）に応じて窒素酸
化物濃度検出出力が補正することができ、酸素濃度の変
動の影響が排除されて正確な窒素酸化物濃度検出が行わ
れる。
【００２２】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を説明する。第１測定室内の酸素分圧検知電極に生ず
る起電力が一定となる様に図３で示す回路構成でＰ．
Ｉ．Ｄ制御を行い第１測定室内の酸素濃度を一定に制御
する。この際に酸素分圧検知セルの制御の目標電圧（酸
素分圧検知セルに発生する起電力の設定）を変更すると
第２酸素イオンポンプ電流が変化するため、予め酸素分
圧検知セルの設定電圧に対する第２酸素イオンポンプ電
流のオフセットを測定してコントローラ等のメモリにマ
ップとして入力しておき、被測定ガス中の酸素濃度急変
時、酸素分圧検知セルに生ずる起電力が変化する場合に
は、この起電力に相当するオフセット量を前記マップか
ら読み出し、第２酸素イオンポンプ電流からこのオフセ
ット量分を増減することにより、ＮＯｘ濃度がより正確
に検知できる。
態を説明する。第１測定室内の酸素分圧検知電極に生ず
る起電力が一定となる様に図３で示す回路構成でＰ．
Ｉ．Ｄ制御を行い第１測定室内の酸素濃度を一定に制御
する。この際に酸素分圧検知セルの制御の目標電圧（酸
素分圧検知セルに発生する起電力の設定）を変更すると
第２酸素イオンポンプ電流が変化するため、予め酸素分
圧検知セルの設定電圧に対する第２酸素イオンポンプ電
流のオフセットを測定してコントローラ等のメモリにマ
ップとして入力しておき、被測定ガス中の酸素濃度急変
時、酸素分圧検知セルに生ずる起電力が変化する場合に
は、この起電力に相当するオフセット量を前記マップか
ら読み出し、第２酸素イオンポンプ電流からこのオフセ
ット量分を増減することにより、ＮＯｘ濃度がより正確
に検知できる。
【００２３】なお、第２測定室の酸素分圧を検知し、第
２酸素イオンポンプ電流を補正することが好ましいが改
めて電極を設ける必要があり、既に存在する第１測定室
の酸素濃度を制御する為の酸素分圧検知セルを用いて補
正しても良い。また、好ましくは、酸素分圧検知セルの
基準電極を基準酸素室内に配して、微少電流を流すこと
により、該基準電極周囲の雰囲気が一定酸素濃度となっ
て、測定室内の酸素濃度が正確に検出できる。
２酸素イオンポンプ電流を補正することが好ましいが改
めて電極を設ける必要があり、既に存在する第１測定室
の酸素濃度を制御する為の酸素分圧検知セルを用いて補
正しても良い。また、好ましくは、酸素分圧検知セルの
基準電極を基準酸素室内に配して、微少電流を流すこと
により、該基準電極周囲の雰囲気が一定酸素濃度となっ
て、測定室内の酸素濃度が正確に検出できる。
【００２４】
【実施例】以下、図面を参照して本発明の一実施例を説
明する。本発明の一実施例に係る窒素酸化物濃度測定装
置は、図５に示した制御構成において、図１に示した構
成の測定器（センサ素子）を用いたものである。この窒
素酸化物濃度測定器は、ＺｒＯ2セラミックのシートを
積層して製作し、各シート間には絶縁層が積層され、第
１層と第２層の間に第１測定室を有し、この測定室と排
ガス（測定雰囲気）の間にはＡｌ2Ｏ3の多孔質セラミッ
クからなる律速層が配されている。又第１層の両面に白
金を含む多孔質電極を有する第１酸素イオンポンプセル
が設けられ、第２層も同様に酸素分圧検知電極を有す
る。又第３層と第４層の間に第２測定室を有し、第２酸
素イオンポンプセルは第４層目に存在する。図１２にこ
の窒素酸化物センサのレイアウトを示す。以下、図１２
を参照して、この窒素酸化物センサの製造例を説明す
る。
明する。本発明の一実施例に係る窒素酸化物濃度測定装
置は、図５に示した制御構成において、図１に示した構
成の測定器（センサ素子）を用いたものである。この窒
素酸化物濃度測定器は、ＺｒＯ2セラミックのシートを
積層して製作し、各シート間には絶縁層が積層され、第
１層と第２層の間に第１測定室を有し、この測定室と排
ガス（測定雰囲気）の間にはＡｌ2Ｏ3の多孔質セラミッ
クからなる律速層が配されている。又第１層の両面に白
金を含む多孔質電極を有する第１酸素イオンポンプセル
が設けられ、第２層も同様に酸素分圧検知電極を有す
る。又第３層と第４層の間に第２測定室を有し、第２酸
素イオンポンプセルは第４層目に存在する。図１２にこ
の窒素酸化物センサのレイアウトを示す。以下、図１２
を参照して、この窒素酸化物センサの製造例を説明す
る。
【００２５】［製造例］図１２に示すように、図中左上
から左下、そして右上から右下の順にＺｒＯ2グリーン
シート及び電極用ペーストなどが積層されて、一体の測
定器（センサ）が作製される。絶縁コート、電極などペ
ースト材料は、所定のＺｒＯ2グリーンシートにスクリ
ーン印刷されることにより、積層形成される。次ぎに、
ＺｒＯ2グリーンシートなど各構成部品の製造例を説明
する。
から左下、そして右上から右下の順にＺｒＯ2グリーン
シート及び電極用ペーストなどが積層されて、一体の測
定器（センサ）が作製される。絶縁コート、電極などペ
ースト材料は、所定のＺｒＯ2グリーンシートにスクリ
ーン印刷されることにより、積層形成される。次ぎに、
ＺｒＯ2グリーンシートなど各構成部品の製造例を説明
する。
【００２６】［ＺｒＯ2グリーンシート成形］ＺｒＯ2粉
末を６００℃×２時間、大気炉にて仮焼した。仮焼した
ＺｒＯ2粉末３０ｋｇ、分散剤１５０ｇ、有機溶剤１０
ｋｇを球石６０ｋｇとともにトロンメルに入れ、約５０
時間混合し、分散させ、これに有機バインダー４ｋｇを
有機溶剤１０ｋｇに溶解させたものを添加し、２０時間
混合して１０Pa・s程度の粘度を有するスラリーを得る。
このスラリーからドクターブレード法により、厚さ0.4
ｍｍ程度のＺｒＯ2グリーンシートを作製し、１００℃
×１時間乾燥する。
末を６００℃×２時間、大気炉にて仮焼した。仮焼した
ＺｒＯ2粉末３０ｋｇ、分散剤１５０ｇ、有機溶剤１０
ｋｇを球石６０ｋｇとともにトロンメルに入れ、約５０
時間混合し、分散させ、これに有機バインダー４ｋｇを
有機溶剤１０ｋｇに溶解させたものを添加し、２０時間
混合して１０Pa・s程度の粘度を有するスラリーを得る。
このスラリーからドクターブレード法により、厚さ0.4
ｍｍ程度のＺｒＯ2グリーンシートを作製し、１００℃
×１時間乾燥する。
【００２７】［印刷用ペースト］
(１)第１酸素イオンポンプ電極６ａ、酸素分圧検知電極
（酸素基準電極）７ｂ、第２酸素イオンポンプ電極８
ａ、８ｂ用： 白金粉末２０ｇ、ＺｒＯ2粉末2.8ｇ、適
量の有機溶剤を、らいかい機（或いはポットミル）に入
れ、４時間混合し、分散させ、これに有機バインダー２
ｇを有機溶剤２０ｇに溶解させたものを添加し、さらに
粘度調整剤５ｇを添加し、４時間混合して粘度１５０Pa
・s程度のペーストを作製する。
（酸素基準電極）７ｂ、第２酸素イオンポンプ電極８
ａ、８ｂ用： 白金粉末２０ｇ、ＺｒＯ2粉末2.8ｇ、適
量の有機溶剤を、らいかい機（或いはポットミル）に入
れ、４時間混合し、分散させ、これに有機バインダー２
ｇを有機溶剤２０ｇに溶解させたものを添加し、さらに
粘度調整剤５ｇを添加し、４時間混合して粘度１５０Pa
・s程度のペーストを作製する。
【００２８】(２)第１酸素イオンポンプ電極６ｂ、酸素
分圧検知電極（酸素濃度測定電極）７ａ用： 白金粉末
19.8ｇ、ＺｒＯ2粉末2.8ｇ、金粉末0.2ｇ、適量の有機
溶剤を、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、４時
間混合し、分散させ、これに有機バインダー２ｇを有機
溶剤２０ｇに溶解させたものを添加し、さらに粘度調整
剤５ｇを添加し、４時間混合して粘度１５０Pa・s程度の
ペーストを作製する。
分圧検知電極（酸素濃度測定電極）７ａ用： 白金粉末
19.8ｇ、ＺｒＯ2粉末2.8ｇ、金粉末0.2ｇ、適量の有機
溶剤を、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、４時
間混合し、分散させ、これに有機バインダー２ｇを有機
溶剤２０ｇに溶解させたものを添加し、さらに粘度調整
剤５ｇを添加し、４時間混合して粘度１５０Pa・s程度の
ペーストを作製する。
【００２９】(３)絶縁コート、保護コート用： アルミ
ナ粉末５０ｇと適量の有機溶剤を、らいかい機（或いは
ポットミル）に入れ、１２時間混合し、溶解させ、さら
に粘度調整剤２０ｇを添加し、３時間混合して粘度１０
０Pa・s程度のペーストを作製する。
ナ粉末５０ｇと適量の有機溶剤を、らいかい機（或いは
ポットミル）に入れ、１２時間混合し、溶解させ、さら
に粘度調整剤２０ｇを添加し、３時間混合して粘度１０
０Pa・s程度のペーストを作製する。
【００３０】(４)Pt入り多孔質用（リード線用）： ア
ルミナ粉末１０ｇ、白金粉末1.5ｇ、有機バインダ2.5
ｇ、有機溶剤２０ｇを、らいかい機（或いはポットミ
ル）に入れ、４時間混合し、さらに粘度調整剤１０ｇを
添加し、４時間混合して粘度１００Pa・s程度のペースト
を作製する。
ルミナ粉末１０ｇ、白金粉末1.5ｇ、有機バインダ2.5
ｇ、有機溶剤２０ｇを、らいかい機（或いはポットミ
ル）に入れ、４時間混合し、さらに粘度調整剤１０ｇを
添加し、４時間混合して粘度１００Pa・s程度のペースト
を作製する。
【００３１】(５)第１拡散孔１用： 平均粒径２μｍ程
度のアルミナ粉末１０ｇ、有機バインダ２ｇ、有機溶剤
２０ｇを、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、混
合し、分散させ、さらに粘度調整剤１０ｇを添加し、４
時間混合して粘度４００Pa・s程度のペーストを作製す
る。
度のアルミナ粉末１０ｇ、有機バインダ２ｇ、有機溶剤
２０ｇを、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、混
合し、分散させ、さらに粘度調整剤１０ｇを添加し、４
時間混合して粘度４００Pa・s程度のペーストを作製す
る。
【００３２】(６)カーボンコート用： カーボン粉末４
ｇ、有機バインダ２ｇ、有機溶剤４０ｇを、らいかい機
（或いはポットミル）に入れ、混合し、分散させ、さら
に粘度調整剤５ｇを添加し、４時間混合してペーストを
作製する。なお、カーボンコートを印刷形成することに
より、一例を挙げれば、電極間の電気的接触が防止され
る。また、カーボンコートは第１測定室及び第２測定室
を形成するために用いられる。カーボンは焼成途中で焼
失するので、カーボンコート層は焼成体には存在しな
い。
ｇ、有機バインダ２ｇ、有機溶剤４０ｇを、らいかい機
（或いはポットミル）に入れ、混合し、分散させ、さら
に粘度調整剤５ｇを添加し、４時間混合してペーストを
作製する。なお、カーボンコートを印刷形成することに
より、一例を挙げれば、電極間の電気的接触が防止され
る。また、カーボンコートは第１測定室及び第２測定室
を形成するために用いられる。カーボンは焼成途中で焼
失するので、カーボンコート層は焼成体には存在しな
い。
【００３３】第２拡散孔３用： 平均粒径２μｍ程度の
アルミナ粉末２０ｇ、有機バインダ８ｇ、有機溶剤２０
ｇを、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、１時間
混合し、造粒し、金型プレスにて約２ｔ／ｃｍ2圧を加
え直径１．３ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円柱状のプレス成
形体（グリーン状態）を作製する。このグリーン状態の
プレス成形体を、２、３層目のＺｒＯ2グリーンシート
の所定箇所に挿入され、圧着して一体化した後、焼成す
ることにより、ガスセンサ中に第２拡散孔を形成する。
アルミナ粉末２０ｇ、有機バインダ８ｇ、有機溶剤２０
ｇを、らいかい機（或いはポットミル）に入れ、１時間
混合し、造粒し、金型プレスにて約２ｔ／ｃｍ2圧を加
え直径１．３ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの円柱状のプレス成
形体（グリーン状態）を作製する。このグリーン状態の
プレス成形体を、２、３層目のＺｒＯ2グリーンシート
の所定箇所に挿入され、圧着して一体化した後、焼成す
ることにより、ガスセンサ中に第２拡散孔を形成する。
【００３４】［ＺｒＯ2積層方法］ ２、３層目圧着
後、第２拡散孔が貫通する部分（直径１．３ｍｍ）を打
ち抜く。打ち抜き後、第２拡散孔となるグリーン円柱状
成形体を埋め込み、１〜４層のＺｒＯ2グリーンシート
を加圧力：５ｋｇ/ｃｍ2、加圧時間：１分で圧着する。
後、第２拡散孔が貫通する部分（直径１．３ｍｍ）を打
ち抜く。打ち抜き後、第２拡散孔となるグリーン円柱状
成形体を埋め込み、１〜４層のＺｒＯ2グリーンシート
を加圧力：５ｋｇ/ｃｍ2、加圧時間：１分で圧着する。
【００３５】［脱バインダー及び焼成］ 圧着した成形
体を、４００℃×２時間脱バインダーし、１５００℃×
１時間焼成する。
体を、４００℃×２時間脱バインダーし、１５００℃×
１時間焼成する。
【００３６】上記製造例に従って下記の寸法の窒素酸化
物センサ（測定器）を作成し、ＮＯｘガス濃度測定試験
を行った。測定に使用した窒素酸化物センサは、長手方
向の長さが５０ｍｍ、幅（短手方向）が４ｍｍ、厚さ
（積層方向）が１．３ｍｍである。第１酸素イオンポン
プセルの厚さは０．３ｍｍ、電極６ａ，６ｂの長手方向
の長さは７ｍｍ、短手方向の長さは２ｍｍ、第１測定室
の長手方向の長さは７ｍｍ、短手方向の長さは２ｍｍ、
高さ５０μｍ、第２測定室の長手方向長さが７ｍｍ、短
手方向の長さは２ｍｍ、高さ５０μｍ、第１拡散孔の長
手方向の長さは２ｍｍ、短手方向の長さ１ｍｍ、厚さ５
０μｍ、第２拡散孔の大きさは直径１ｍｍである。
物センサ（測定器）を作成し、ＮＯｘガス濃度測定試験
を行った。測定に使用した窒素酸化物センサは、長手方
向の長さが５０ｍｍ、幅（短手方向）が４ｍｍ、厚さ
（積層方向）が１．３ｍｍである。第１酸素イオンポン
プセルの厚さは０．３ｍｍ、電極６ａ，６ｂの長手方向
の長さは７ｍｍ、短手方向の長さは２ｍｍ、第１測定室
の長手方向の長さは７ｍｍ、短手方向の長さは２ｍｍ、
高さ５０μｍ、第２測定室の長手方向長さが７ｍｍ、短
手方向の長さは２ｍｍ、高さ５０μｍ、第１拡散孔の長
手方向の長さは２ｍｍ、短手方向の長さ１ｍｍ、厚さ５
０μｍ、第２拡散孔の大きさは直径１ｍｍである。
【００３７】（測定例１）まず、この制御システムにお
いて、第２酸素イオンポンプセル電位を一定として、１
５００ｐｐｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入
し、酸素分圧検知セルの設定電圧を変化したときの、第
２酸素イオンポンプ電流のゲイン及びオフセットを測定
した。この結果を図６に示す。また、酸素分圧検知セル
の設定電圧を一定とし、１５００ｐｐｍのＮＯを含み、
酸素７％を含む被測定ガスを投入し、第２酸素イオンポ
ンプセル電位を変化させたときの第２酸素イオンポンプ
電流のゲイン及びオフセットを測定した。この結果を図
７に示す。
いて、第２酸素イオンポンプセル電位を一定として、１
５００ｐｐｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入
し、酸素分圧検知セルの設定電圧を変化したときの、第
２酸素イオンポンプ電流のゲイン及びオフセットを測定
した。この結果を図６に示す。また、酸素分圧検知セル
の設定電圧を一定とし、１５００ｐｐｍのＮＯを含み、
酸素７％を含む被測定ガスを投入し、第２酸素イオンポ
ンプセル電位を変化させたときの第２酸素イオンポンプ
電流のゲイン及びオフセットを測定した。この結果を図
７に示す。
【００３８】図６より、酸素分圧検知セルの設定電圧を
低くした際には、第２測定室に拡散するガス中に残留す
る酸素が多くなり、第２酸素イオンポンプ電流が増加
し、該設定電圧を高くした際には、該電流が減少するこ
とが分かる。一方、図７より、酸素分圧検知セルの設定
電圧を一定とし、第１測定室内の酸素濃度が一定となる
ようにした場合、第２酸素イオンポンプセル電圧を低く
した際には、第２酸素イオンポンプ電流は減少し、該電
圧を高くした際には、該電流が増加することが分かる。
低くした際には、第２測定室に拡散するガス中に残留す
る酸素が多くなり、第２酸素イオンポンプ電流が増加
し、該設定電圧を高くした際には、該電流が減少するこ
とが分かる。一方、図７より、酸素分圧検知セルの設定
電圧を一定とし、第１測定室内の酸素濃度が一定となる
ようにした場合、第２酸素イオンポンプセル電圧を低く
した際には、第２酸素イオンポンプ電流は減少し、該電
圧を高くした際には、該電流が増加することが分かる。
【００３９】従って、図６及び図７に示された特性を利
用して、酸素分圧検知セルに発生する起電力が高い場合
には第２酸素イオンポンプセル電圧を低くし、該起電力
が低い場合には該電圧を高くすることにより、被測定ガ
ス中の酸素及び酸素濃度変化の影響が相殺され、被測定
ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く測定できるようになるこ
とが分かる。
用して、酸素分圧検知セルに発生する起電力が高い場合
には第２酸素イオンポンプセル電圧を低くし、該起電力
が低い場合には該電圧を高くすることにより、被測定ガ
ス中の酸素及び酸素濃度変化の影響が相殺され、被測定
ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く測定できるようになるこ
とが分かる。
【００４０】図８に、酸素分圧検知セルの電極７ｂ（図
３参照）の測定電位と基準電位（４５０ｍｖ）間の電位
差と、第２酸素イオンポンプ電流の関係をプロットした
結果を示す。図８より、両者にほぼ直線的な関係がある
ことが分かる。そこで、この関係をコントローラ４０が
備える記憶部に予め記憶させておき（マップ作成）、被
測定ガス中の酸素濃度が急変して、酸素分圧検知セルに
発生する起電力が変化する場合に、該起電力変化に対応
する所定のオフセット量を読み出して、測定した第２酸
素イオンポンプ電流値を読み出したオフセット量に基づ
いて増減することにより、補正された第２酸素イオンポ
ンプセル出力に基づき、正確な窒素酸化物濃度が求めら
れることが分かる。
３参照）の測定電位と基準電位（４５０ｍｖ）間の電位
差と、第２酸素イオンポンプ電流の関係をプロットした
結果を示す。図８より、両者にほぼ直線的な関係がある
ことが分かる。そこで、この関係をコントローラ４０が
備える記憶部に予め記憶させておき（マップ作成）、被
測定ガス中の酸素濃度が急変して、酸素分圧検知セルに
発生する起電力が変化する場合に、該起電力変化に対応
する所定のオフセット量を読み出して、測定した第２酸
素イオンポンプ電流値を読み出したオフセット量に基づ
いて増減することにより、補正された第２酸素イオンポ
ンプセル出力に基づき、正確な窒素酸化物濃度が求めら
れることが分かる。
【００４１】（測定例２）次に、１．５Ｌのリーンバー
ンエンジンガソリン車に、以上説明した制御構成を有す
る本発明の一実施例に係る測定装置（図５参照）を適用
し、排ガス中の窒素酸化物濃度測定を行った。また、比
較例として酸素分圧検知セルの出力による補正を行わな
い制御装置（図４参照）を用いて、同様に測定を行っ
た。なお、酸素分圧検知セルの設定電圧は４５０ｍＶと
した。同時に、ＦＴＩＲ法に基づく分析計によって真値
を測定した（分析計の出力は図中ＦＴＩＲで示す）。
図９に比較例、図１０に実施例の測定結果をそれぞれ示
す。図９及び図１０より、実車走行においては酸素濃度
が刻々と変化して、酸素分圧検知セル電位を一定にする
制御に制御遅れが発生していることが分かる。そして、
図９では、酸素分圧検知セル電位が急変した際に、ＮＯ
ｘセンサ（第２酸素イオンポンプ電流に基づく）が異常
値を出力し、ＮＯｘセンサ出力（）は分析計出力
（）と大きく異なり、正確なＮＯｘ濃度測定が行われ
なかったことを示している。
ンエンジンガソリン車に、以上説明した制御構成を有す
る本発明の一実施例に係る測定装置（図５参照）を適用
し、排ガス中の窒素酸化物濃度測定を行った。また、比
較例として酸素分圧検知セルの出力による補正を行わな
い制御装置（図４参照）を用いて、同様に測定を行っ
た。なお、酸素分圧検知セルの設定電圧は４５０ｍＶと
した。同時に、ＦＴＩＲ法に基づく分析計によって真値
を測定した（分析計の出力は図中ＦＴＩＲで示す）。
図９に比較例、図１０に実施例の測定結果をそれぞれ示
す。図９及び図１０より、実車走行においては酸素濃度
が刻々と変化して、酸素分圧検知セル電位を一定にする
制御に制御遅れが発生していることが分かる。そして、
図９では、酸素分圧検知セル電位が急変した際に、ＮＯ
ｘセンサ（第２酸素イオンポンプ電流に基づく）が異常
値を出力し、ＮＯｘセンサ出力（）は分析計出力
（）と大きく異なり、正確なＮＯｘ濃度測定が行われ
なかったことを示している。
【００４２】一方、図１０によれば、酸素分圧検知セル
の電極７ｂ（図３参照）の測定電位と基準電位（４５０
ｍｖ）との電位差（起電力変化）に対応する所定のオフ
セット量を読み出して、読み出したオフセット量に基づ
いて測定した第２酸素イオンポンプ電流値を増減する補
正を行うことにより、酸素分圧検知セル電位が急変した
際に、ＮＯｘセンサ出力のピークは、図９に比べて半分
以下の高さになり、ＮＯｘセンサ出力（）は分析計出
力（）とほとんど変わらず、正確なＮＯｘ濃度測定が
行われたことを示している。
の電極７ｂ（図３参照）の測定電位と基準電位（４５０
ｍｖ）との電位差（起電力変化）に対応する所定のオフ
セット量を読み出して、読み出したオフセット量に基づ
いて測定した第２酸素イオンポンプ電流値を増減する補
正を行うことにより、酸素分圧検知セル電位が急変した
際に、ＮＯｘセンサ出力のピークは、図９に比べて半分
以下の高さになり、ＮＯｘセンサ出力（）は分析計出
力（）とほとんど変わらず、正確なＮＯｘ濃度測定が
行われたことを示している。
【００４３】以上説明した実施例では、図５に示したコ
ントローラ４０内部で補正を行っているが、図３に示し
たシステムに、所定の回路を追加することにより（上記
実施例で用いた素子に所定の回路を接続する）、本発明
に係る別の制御構成が実現できる。図１１は、本発明の
他の実施例に係る窒素酸化物濃度測定装置を説明するた
めの図である。図１１に示した装置が、図３に示した装
置と異なる点は、酸素分圧検知セル７の基準電極７ｂと
第２酸素イオンポンプセルの外側電極８ｂ間に増幅器３
２を配した点である。図１１のシステムは、酸素分圧検
知セルの電位（酸素分圧検知セルの電極７ｂ（図３参
照）に発生する電位と基準電位との電位差（起電力変
化））に応じて第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧
を可変することにより、上述のコントローラによるソフ
トウェア的な補正をハードウェアで行うものである。す
なわち、酸素分圧検知セルの電圧が高い場合にはポンプ
電圧を高く、低い場合にはポンプ電圧を低くする様に第
２酸素イオンポンプセルへの印加ポンプ電圧を制御して
いる。上記実施例と同様の測定試験を行ったところ、図
１１に示したシステムによっても、第２酸素イオンポン
プセルへの印加電圧を一定に制御した場合に比べて、上
記実施例と同様に正確な窒素酸化物濃度測定ができるこ
とが確認された。
ントローラ４０内部で補正を行っているが、図３に示し
たシステムに、所定の回路を追加することにより（上記
実施例で用いた素子に所定の回路を接続する）、本発明
に係る別の制御構成が実現できる。図１１は、本発明の
他の実施例に係る窒素酸化物濃度測定装置を説明するた
めの図である。図１１に示した装置が、図３に示した装
置と異なる点は、酸素分圧検知セル７の基準電極７ｂと
第２酸素イオンポンプセルの外側電極８ｂ間に増幅器３
２を配した点である。図１１のシステムは、酸素分圧検
知セルの電位（酸素分圧検知セルの電極７ｂ（図３参
照）に発生する電位と基準電位との電位差（起電力変
化））に応じて第２酸素イオンポンプセルへの印加電圧
を可変することにより、上述のコントローラによるソフ
トウェア的な補正をハードウェアで行うものである。す
なわち、酸素分圧検知セルの電圧が高い場合にはポンプ
電圧を高く、低い場合にはポンプ電圧を低くする様に第
２酸素イオンポンプセルへの印加ポンプ電圧を制御して
いる。上記実施例と同様の測定試験を行ったところ、図
１１に示したシステムによっても、第２酸素イオンポン
プセルへの印加電圧を一定に制御した場合に比べて、上
記実施例と同様に正確な窒素酸化物濃度測定ができるこ
とが確認された。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
被測定ガス中の酸素濃度が急変した場合であっても、窒
素酸化物濃度をより正確に求めることができる。すなわ
ち、酸素濃度が大きく変動する雰囲気においても、制御
遅れがなく、リアルタイムで正確な窒素酸化物濃度を得
ることができ、本発明の制御方法を内燃機関の窒素酸化
物検出システムに適用することにより、酸素濃度及び窒
素酸化物濃度の変化に応じた、即応性の高い燃焼制御シ
ステムを構築することが可能とされる。また、本発明の
測定装置はソフトウェア的にもハードウェア的にも構成
することができる。
被測定ガス中の酸素濃度が急変した場合であっても、窒
素酸化物濃度をより正確に求めることができる。すなわ
ち、酸素濃度が大きく変動する雰囲気においても、制御
遅れがなく、リアルタイムで正確な窒素酸化物濃度を得
ることができ、本発明の制御方法を内燃機関の窒素酸化
物検出システムに適用することにより、酸素濃度及び窒
素酸化物濃度の変化に応じた、即応性の高い燃焼制御シ
ステムを構築することが可能とされる。また、本発明の
測定装置はソフトウェア的にもハードウェア的にも構成
することができる。
【図１】本発明の一実施形態において好適に使用される
窒素酸化物濃度測定器を説明するための図であって、
（ａ）は測定器（素子）の構造を説明するための断面
図、（ｂ）は（ａ）に示した断面の測定器全体に対する
位置を説明するための図、（ｃ）は測定器出力特性を説
明するための図である。
窒素酸化物濃度測定器を説明するための図であって、
（ａ）は測定器（素子）の構造を説明するための断面
図、（ｂ）は（ａ）に示した断面の測定器全体に対する
位置を説明するための図、（ｃ）は測定器出力特性を説
明するための図である。
【図２】図１に示した窒素酸化物濃度測定器を用いた窒
素酸化物濃度検出過程を説明するためのフローチャート
である。
素酸化物濃度検出過程を説明するためのフローチャート
である。
【図３】比較例に係る窒素酸化物濃度測定装置を説明す
るための図である。
るための図である。
【図４】比較例に係る測定装置を説明するためのブロッ
ク図である。
ク図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る測定装置を説明す
るためのブロック図である。
るためのブロック図である。
【図６】本発明の一実施例に係る測定装置を用いて、第
２酸素イオンポンプセル電位を一定として、１５００ｐ
ｐｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入し、酸素
分圧検知セルの設定電圧を変化したときの、第２酸素イ
オンポンプ電流のゲイン及びオフセットを示す図であ
る。
２酸素イオンポンプセル電位を一定として、１５００ｐ
ｐｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入し、酸素
分圧検知セルの設定電圧を変化したときの、第２酸素イ
オンポンプ電流のゲイン及びオフセットを示す図であ
る。
【図７】本発明の一実施例に係る測定装置を用いて、酸
素分圧検知セルの設定電圧を一定として、１５００ｐｐ
ｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入し、第２酸
素イオンポンプセル電位を変化したときの第２酸素イオ
ンポンプ電流のゲイン及びオフセットを示す図である。
素分圧検知セルの設定電圧を一定として、１５００ｐｐ
ｍのＮＯ、酸素７％を含む被測定ガスを投入し、第２酸
素イオンポンプセル電位を変化したときの第２酸素イオ
ンポンプ電流のゲイン及びオフセットを示す図である。
【図８】本発明の一実施例に係る測定装置を用いて、酸
素分圧検知セルの第１測定室側電極７ｂ（図３参照）と
基準電位の電位差と、第２酸素イオンポンプ電流の関係
を示す図である。
素分圧検知セルの第１測定室側電極７ｂ（図３参照）と
基準電位の電位差と、第２酸素イオンポンプ電流の関係
を示す図である。
【図９】比較例に係る測定装置を用いて、１．５Ｌのリ
ーンバーンエンジンガソリン車の排ガス濃度測定を行っ
た結果を示す図である。
ーンバーンエンジンガソリン車の排ガス濃度測定を行っ
た結果を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例に係る窒素酸化物濃度測定
装置を用いて、１．５Ｌのリーンバーンエンジンガソリ
ン車の排ガス濃度測定を行った結果を示す図である。
装置を用いて、１．５Ｌのリーンバーンエンジンガソリ
ン車の排ガス濃度測定を行った結果を示す図である。
【図１１】本発明の他の実施例に係る窒素酸化物濃度測
定装置を説明するための図である。
定装置を説明するための図である。
【図１２】窒素酸化物濃度測定器（センサ素子）のレイ
アウトを説明するための図である。
アウトを説明するための図である。
１ 第１拡散孔
２ 第１測定室
３ 第２拡散孔
４ 第２測定室
６ 第１酸素イオンポンプセル
６ａ，６ｂ 電極
７ 酸素分圧検知セル
７ａ，７ｂ 電極
８ 第２酸素イオンポンプセル
８ａ，８ｂ 電極
３０ 差動増幅器
３１ 制御器（Ｐ．Ｉ．Ｄ制御器）
３２ 増幅器
４０ コントローラ
４０ａ 酸素濃度演算部
４０ｂ ＮＯｘ濃度演算部
４１ Ｖｓ（酸素分圧検知セル電位）一定制御部
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 大島 崇文
名古屋市瑞穂区高辻町14番18号 日本特
殊陶業株式会社内
(56)参考文献 特開 平10−73563（ＪＰ，Ａ)
特開 平８−29387（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G01N 27/416
G01N 27/419
ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)
Claims (12)
- 【請求項１】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入さ
れる第１測定室と、前記第１測定室外又は内へ酸素を十
分に汲み出す又は汲み込む第１酸素イオンポンプセル
と、前記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導
入される第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に
設けられた一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印
加されて該第２測定室中の窒素酸化物を分解し、解離し
た酸素を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた電
流（以下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流れ
る第２酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室の酸素
分圧を検出するための酸素分圧検知電極を備えた酸素分
圧検知セルと、 被測定ガス中の酸素分圧が変化した際に、該変化に応じ
て前記第２酸素イオンポンプ電流に基づき窒素酸化物濃
度を求める手段と、 を有し、 前記窒素酸化物濃度を求める手段は、前記酸素分圧検知
セルの出力に基づいて前記第２酸素イオンポンプ電流に
基づく窒素酸化物濃度検出出力を補正する補正手段を備
える ことを特徴とする窒素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項２】前記酸素分圧検知セルの出力に基づいて前
記第１酸素イオンポンプセルの印加電圧が制御され、 前記補正手段は、前記印加電圧が前記第１酸素イオンポ
ンプセルに印加されることによって 該第１酸素イオンポ
ンプセルに流れる電流（以下「第１酸素イオンポンプ電
流」という）の変化量に基づいて、前記窒素酸化物濃度
検出出力を補正することを特徴とする請求項１記載の窒
素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項３】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入さ
れる第１測定室と、前記第１測定室から該測定室外又は
内へ被測定ガス中の酸素を十分に汲み出す又は汲み込む
第１酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室から第２
拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記
第２測定室の内部と外部に設けられた一対の電極を備
え、該一対の電極に電圧が印加されて該第２測定室中の
窒素酸化物を分解し、解離した酸素を汲み出すことによ
り窒素酸化物濃度に応じた電流（以下「第２酸素イオン
ポンプ電流」という）が流れる第２酸素イオンポンプセ
ルと、を備えた窒素酸化物濃度測定器と、 被測定ガス中の酸素分圧の変化に応じて、前記第２酸素
イオンポンプセルに印可する電圧を制御する手段と、を
有することを特徴とする窒素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項４】前記制御手段は、前記酸素分圧が低い場合
は、前記第２酸素イオンポンプセルに印加される電圧を
低下させ、高い場合には該電圧を上昇させることを特徴
とする請求項３記載の窒素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項５】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入さ
れる第１測定室と、前記第１測定室から該測定室外又は
内へ被測定ガス中の酸素を十分に汲み出す又は汲み込む
第１酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室から第２
拡散抵抗を介してガスが導入される第２測定室と、前記
第２測定室の内部と外部に設けられた一対の電極を備
え、該一対の電極に電圧が印加されて該第２測定室中の
窒素酸化物を分解し、解離した酸素を汲み出すことによ
り窒素酸化物濃度に応じた電流（以下「第２酸素イオン
ポンプ電流」という）が流れる第２酸素イオンポンプセ
ルと、前記第１測定室ないし前記第２測定室内の酸素分
圧を検出する酸素分圧検知セルと、を備えた窒素酸化物
濃度測定器と、 前記酸素分圧検知セルの出力及び前記第２酸素イオンポ
ンプセルの出力を入力とし、該酸素分圧検知セルの出力
が変化した際に、前記第２酸素イオンポンプ電流に基づ
く前記窒素酸化物濃度測定器の窒素酸化物濃度検出出力
を補正する窒素酸化物濃度演算部と、 を有することを特徴とする窒素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項６】さらに、前記酸素分圧検知セルの出力が一
定となるように、前記第１酸素イオンポンプセルを制御
する酸素分圧一定制御部と、 前記酸素分圧検知セルの出力の変化量と前記第２酸素イ
オンポンプ電流のオフセットの関係を予め記憶した記憶
部と、を有し、 前記窒素酸化物濃度演算部は、前記酸素分圧検知セルの
出力の変化量に応じて、前記記憶部から所定のデータを
読み出し、該データに基づいて前記第２酸素イオンポン
プ電流のオフセットの値を可変して、前記窒素酸化物濃
度検出出力を補正することを特徴とする請求項５記載の
窒素酸化物濃度測定装置。 - 【請求項７】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入さ
れる第１測定室と、前記第１測定室から該測定室外へ被
測定ガス中の酸素を窒素酸化物のすべてが分解しない程
度に十分に汲み出す第１酸素イオンポンプセルと、前記
第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入される
第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に設けられ
た一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印加されて
該第２測定室中に残留する窒素酸化物を分解し、解離し
た酸素を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた電
流（以下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流れ
る第２酸素イオンポンプセルと、前記第１測定室の酸素
分圧を検出するための酸素分圧検知電極を備えた酸素分
圧検知セルと、を備えた窒素酸化物濃度測定器におい
て、 被測定ガス中の酸素分圧が変化した際に、前記酸素分圧
検知セルの出力に基づいて前記第２酸素イオンポンプ電
流に基づく前記窒素酸化物濃度測定器の窒素酸化物濃度
検出出力を補正することを特徴とする窒素酸化物濃度測
定器の制御方法。 - 【請求項８】前記酸素分圧検知セルの出力に基づいて前
記第１酸素イオンポンプセルの印加電圧が制御され、 前記印加電圧が前記第１酸素イオンポンプセルに印加さ
れることによって 該第１酸素イオンポンプセルに流れる
電流（以下「第１酸素イオンポンプ電流」という）の変
化量に基づいて、前記窒素酸化物濃度検出出力を補正す
ることを特徴とする請求項７記載の窒素酸化物濃度測定
器の制御方法。 - 【請求項９】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入さ
れる第１測定室と、前記第１測定室から該測定室外へ被
測定ガス中の酸素を窒素酸化物のすべてが分解しない程
度に十分に汲み出す第１酸素イオンポンプセルと、前記
第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入される
第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に設けられ
た一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印加されて
該第２測定室中に残留する窒素酸化物を分解し、解離し
た酸素を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた電
流（以下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流れ
る第２酸素イオンポンプセルと、を備えた窒素酸化物濃
度測定器において、 被測定ガス中の酸素分圧の変化に応じて、前記第２酸素
イオンポンプセルに印加される電圧を制御することを特
徴とする窒素酸化物濃度測定器の制御方法。 - 【請求項１０】前記酸素分圧が低い場合は、前記第２酸
素イオンポンプセルに印加される電圧を低下させ、高い
場合には該電圧を上昇させることを特徴とする請求項９
記載の窒素酸化物濃度測定器の制御方法。 - 【請求項１１】第１拡散抵抗を介して被測定ガスが導入
される第１測定室と、前記第１測定室から該測定室外へ
被測定ガス中の酸素を窒素酸化物のすべてが分解しない
程度に十分に汲み出す第１酸素イオンポンプセルと、前
記第１測定室から第２拡散抵抗を介してガスが導入され
る第２測定室と、前記第２測定室の内部と外部に設けら
れた一対の電極を備え、該一対の電極に電圧が印加され
て該第２測定室中に残留する窒素酸化物を分解し、解離
した酸素を汲み出すことにより窒素酸化物濃度に応じた
電流（以下「第２酸素イオンポンプ電流」という）が流
れる第２酸素イオンポンプセルと、を備えた窒素酸化物
濃度測定器において、 さらに、前記第１測定室ないし前記第２測定室内の酸素
分圧を検出する酸素分圧検知セルと、 前記酸素分圧検知セルの出力及び前記第２酸素イオンポ
ンプセルの出力を入力とし、該酸素分圧検知セルの出力
が変化した際に、前記第２酸素イオンポンプ電流に基づ
く前記窒素酸化物濃度測定器の窒素酸化物濃度検出出力
を補正する窒素酸化物濃度演算部と、を有することを特
徴とする窒素酸化物濃度測定器の制御装置。 - 【請求項１２】前記酸素分圧検知セルの出力が一定とな
るように、前記第１酸素イオンポンプセルを制御する酸
素分圧一定制御部と、 前記酸素分圧検知セルの出力の変化量と前記第２酸素イ
オンポンプ電流のオフセットの関係を予め記憶した記憶
部と、を有し、 前記酸素分圧検知セルの出力の変化量に応じて、前記記
憶部から所定のデータを読み出し、該データに基づいて
前記第２酸素イオンポンプ電流のオフセットの値を可変
することにより前記窒素酸化物濃度検出出力を補正する
ことを特徴とする請求項１１記載の窒素酸化物濃度測定
器の制御装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22321198A JP3501956B2 (ja) | 1997-08-06 | 1998-08-06 | 窒素酸化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法 |
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP22422597 | 1997-08-06 | ||
| JP9-224225 | 1997-08-06 | ||
| JP22321198A JP3501956B2 (ja) | 1997-08-06 | 1998-08-06 | 窒素酸化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH11108887A JPH11108887A (ja) | 1999-04-23 |
| JP3501956B2 true JP3501956B2 (ja) | 2004-03-02 |
Family
ID=26525337
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP22321198A Expired - Fee Related JP3501956B2 (ja) | 1997-08-06 | 1998-08-06 | 窒素酸化物濃度測定装置及び窒素酸化物濃度測定器の制御方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3501956B2 (ja) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0981046A1 (en) | 1998-08-10 | 2000-02-23 | Ngk Spark Plug Co., Ltd | Method for measuring concentration of a component in a gas |
| DE19911664A1 (de) * | 1999-03-16 | 2000-09-21 | Volkswagen Ag | Kalibrierung eines NOx-Sensors |
| JP4098944B2 (ja) * | 2000-03-29 | 2008-06-11 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサの制御方法 |
| JP4498376B2 (ja) * | 2007-03-26 | 2010-07-07 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサの製造方法 |
| JP4999894B2 (ja) * | 2009-08-17 | 2012-08-15 | 日本碍子株式会社 | ガスセンサ |
| ES2394057T3 (es) | 2009-12-23 | 2013-01-16 | Iveco Motorenforschung Ag | Método de control mejorado y dispositivo para celdas de bomba de oxígeno de sensores en motores de combustión interna o gas de escape posterior a los sistemas de tratamiento de tales motores |
-
1998
- 1998-08-06 JP JP22321198A patent/JP3501956B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH11108887A (ja) | 1999-04-23 |
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