JP3677162B2 - ガスセンサ用制御回路ユニット及びそれを用いたガスセンサシステム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ用制御回路ユニット及びそれを用いたガスセンサシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも記す）濃度測定装置として、例えば、ヨーロッパ特許出願公開明細書０６７８７４０Ａ１，ＳＡＥ ｐａｐｅｒ Ｎｏ．９６０３３４ Ｐ１３７〜１４２ １９９６等に開示されているように、下記のようなＮＯｘセンサを用いて、内燃機関等の排気中のＮＯｘの濃度を検出するようにしたものが知られている。該ＮＯｘセンサにおいては、第一拡散律速部を介して被測定ガス側に連通された第一処理室と、この第一処理室に第二拡散律速部を介して連通された第二処理室とが、酸素イオン伝導性の固体電解質層にて形成される。第一処理室には、固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第一ポンプ素子と酸素濃度測定セルとが形成される。さらに、第二処理室には、同じく固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第二ポンプ素子を形成される。
【０００３】
この種のＮＯｘ濃度測定装置においては、酸素濃度測定セルからの出力電圧が予め設定された一定値となるように第一ポンプ素子に電流を流し、それによって第一処理室内の酸素濃度を一定濃度に制御する一方、第二ポンプ素子に一定電圧を印加して、第二処理室から酸素を汲み出すようにしている。そして、この第二ポンプ素子に流れる電流値から、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【０００４】
つまり、被測定ガスである内燃機関等からの排気中には、ＮＯｘ以外に、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の他のガス成分が存在するが、上記窒素酸化物濃度測定装置では、第一ポンプ素子により第一処理室内を酸素が極めて少ない低酸素濃度に制御する。さらに、その低酸素濃度に制御された被測定ガスが流入する第二処理室側で、第二ポンプ素子に第二処理室内の酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加することにより、第二ポンプ素子を構成する多孔質電極の触媒機能によって、被測定ガス中のＮＯｘを窒素と酸素とに分解させ、第二処理室から酸素を抜き取る。そして、そのとき第二ポンプ素子に流れるポンプ電流を検出することにより、被測定ガス中の他のガス成分に影響されることなく、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出できるようにしている。
【０００５】
他方、この種のＮＯｘ濃度測定装置では、上記検出方法によってＮＯｘ濃度を正確に検出するために、センサを所定の活性温度（例えば８５０℃程度）まで加熱して、各セルを活性化させる必要があることから、センサを加熱するためのヒータが別途設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、燃料に対する空気の量が多いリーン空燃比で運転される、いわゆるリーンバーンエンジンでは、排気ガス中のＮＯｘ成分が多くなる傾向にある。従って、上記のようなＮＯｘ濃度測定装置は、ＮＯｘ排出を抑制するために、その還元触媒の状態を監視する等の目的で使用されることが多い。具体的には、内燃機関の排気通路に設けられた還元触媒の下流側にＮＯｘセンサを装着してＮＯｘ濃度を測定し、該触媒からのＮＯｘの漏出量を検出する。そして、そのＮＯｘの漏出量が増えてきたところで、内燃機関に供給する燃料混合気の空燃比を、一時的にリッチ空燃比に制御して内燃機関から未燃ガスを排出させ、この未燃ガスと触媒に蓄積されたＮＯｘとを反応させることにより、ＮＯｘの排出量を抑制する等の制御に使用される。
【０００７】
ところで、このようなＮＯｘ制御を実現するには、上記ＮＯｘ濃度測定装置では内燃機関に供給された燃料混合気の空燃比を測定することができないことから、排気中の酸素濃度から空燃比を測定する空燃比測定装置を別途設ける必要がある。つまり、上記のようなＮＯｘ制御を行なう場合には、内燃機関において一般に行なわれている空燃比制御を併せて実行する必要があり、このためには、内燃機関の排気系に、ＮＯｘセンサと酸素濃度センサ（いわゆる空燃比センサ）とをそれぞれ設けなければならない。
【０００８】
本発明の課題は、既存のガスセンサに装着することにより、１つのガスセンサを複数種類のガス成分濃度を検出可能なものとして機能させることができるガスセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたガスセンサシステムとを提供することにある。また、より具体的には、既存のＮＯｘセンサに装着するのみで、これにＮＯｘセンサとしての機能のみならず酸素濃度センサとしての機能を簡単に付与することができ、ひいてはＮＯｘ濃度及び酸素濃度（あるいは空燃比）等の検出系の構成を簡単にできるガスセンサ用制御回路ユニット、あるいはそれを用いたガスセンサシステムとを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明のガスセンサ用制御回路ユニット（以下、単に制御回路ユニットともいう）の第一は、周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、周囲から区画されるとともに、第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子を備えたガスセンサに接続して使用され、
第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御して、酸素濃度検出素子の出力電圧がほぼ一定となるように第一処理室内の酸素分圧レベルを制御する第一ポンプ素子制御回路と、第二処理室から酸素を汲み出す方向に、第二ポンプ素子に対して一定電圧を印加する第二ポンプ素子制御回路と、加熱素子の発熱を制御する発熱制御回路とを備えたガスセンサの作動制御回路と、
第一ポンプ素子に流れる電流（以下、第一ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第一ポンプ電流検出回路と、第二ポンプ素子に流れる電流（以下、第二ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第二ポンプ電流検出回路とを備えた信号検出回路とを備え、
第一ポンプ電流の検出信号が、被測定ガス中の酸素濃度検出に使用され、第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とが被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用されるとともに、
第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流の変化率を表すゲインの酸素濃度に対する一次関数的な標準特性（以下、標準ゲイン特性という）を含む標準特性情報を記憶した標準特性情報記憶部と、
第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したガスセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報として、ゲインの酸素濃度に対する一次関数的な特性を標準ゲイン特性に一致させるゲイン特性補正データを含む補正情報を記憶した補正情報記憶部と、
マイクロプロセッサにより機能実現され、第一ポンプ電流と第二ポンプ電流との各信号を検出し、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を、第二ポンプ電流の値をゲイン特性補正データに基づいてゲイン補正する形で補正するとともに、それら検出値と標準特性情報とを用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度の情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段と、を備えたことを特徴とする。
上記本発明のガスセンサ用制御回路ユニットは、標準特性情報記憶部は、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第二ポンプ電流の特性をオフセット特性として、該オフセット特性の標準特性 ( 以下、標準オフセット特性という）を含むものとして前記標準特性情報を記憶し、
補正情報記憶部は、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したガスセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報として、オフセット電流の酸素濃度に対する特性を標準オフセット特性に一致させるオフセット特性補正データを含むものとして補正情報を記憶し、
窒素酸化物濃度情報生成手段は、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を、第二ポンプ電流の値を前記オフセット特性補正データに基づいてオフセット補正する形で補正するものとして構成することもできる。
上記の構成によれば、既存のガスセンサに装着することにより、１つのガスセンサを複数種類のガス成分濃度を検出可能なものとして機能させることができるので、必要なセンサの個数を削減することができ、経済的である。回路パラメータは、例えばガスセンサの検出部が発する電気信号あるいはそれに基づいて生成される別の電気信号の、電流値あるいは電圧値等である。
また、上記制御回路ユニットないしガスセンサシステムには、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報（以下、標準特性情報という）を記憶した標準特性情報記憶部と、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したＮＯｘセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報を記憶した補正情報記憶部とが設けられる。そして、マイクロプロセッサにより機能実現され、第一ポンプ電流と第二ポンプ電流との各信号を検出するとともに、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を補正するとともに、それら検出値と標準特性情報とを用いて被測定ガス中の前記窒素酸化物濃度の情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段が設けられる。
この構成によれば、異なるＮＯｘセンサを用いて同じ被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定したとしても、各ＮＯｘセンサ毎のバラツキは固有の補正情報によって補正されるため、いずれのＮＯｘセンサによっても同様の測定結果が精度良く得られる。また、各ＮＯｘセンサ毎に第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性を記憶しているのではなく、標準的な特性の他には補正データを記憶しているのみなので、記憶容量が小さくて済む。
また、本発明のガスセンサシステムは、上記ガスセンサと、これに接続される上記ガスセンサ用制御回路ユニットとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、上記のガスセンサ用制御回路ユニットは下記の構成のＮＯｘセンサに接続して使用されるものとすることができる。すなわち、該ＮＯｘセンサは、
周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、
周囲から区画されるとともに、第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、
第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子とを備える。
【００１１】
上記のようなＮＯｘセンサに接続して使用される本発明のガスセンサ用制御回路ユニットは、
第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御して、酸素濃度検出素子の出力電圧がほぼ一定となるように第一処理室内の酸素分圧レベルを制御する第一ポンプ素子制御回路と、
第一ポンプ素子に流れる電流（第一ポンプ電流）を検出し、その検出信号を出力する第一ポンプ電流検出回路と、
第二処理室から酸素を汲み出す方向に、第二ポンプ素子に対して一定電圧を印加する第二ポンプ素子制御回路と、
第二ポンプ素子に流れる電流（第二ポンプ電流）を検出し、その検出信号を出力する第二ポンプ電流検出回路と、
加熱素子の発熱を制御する発熱制御回路とを備え、
第一ポンプ電流の検出信号が、被測定ガス中の酸素濃度検出に使用され、第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とが被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用されることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、第一ポンプ電流検出回路と第二ポンプ電流検出回路とを備えることで、その第一ポンプ電流の検出信号を被測定ガス中の酸素濃度検出に使用でき、かつ第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とを被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用できる。従って、既存のＮＯｘセンサに装着するのみで、これにＮＯｘセンサのみならず酸素濃度センサとしての機能を簡単に付与することができ、ひいてはＮＯｘ濃度及び酸素濃度（空燃比）の検出系の構成を簡単にできる。
【００１３】
他方、本発明者らの検討によれば、ＮＯｘセンサにおいて一般に、第一処理室に導入される被測定ガス中の酸素濃度が変動すると、第二ポンプ電流のＮＯｘ濃度依存性が影響を受け、従来のように第二ポンプ電流の値のみでは、正確なＮＯｘ濃度の検出ができないことが判明している。本発明のガスセンサ用制御回路ユニットあるいはガスセンサシステムでは、被測定ガス中の酸素濃度を反映した第一ポンプ電流の検出信号と、第二ポンプ電流の検出信号との双方に基づいてＮＯｘ濃度を検出するようにしているので、より精度の高い測定が可能となっている。
【００１４】
この場合、第一ポンプ素子制御回路は、第一処理室から第二気体流通部を通って第二処理室に導かれる気体中の酸素濃度をほぼ一定となるように、第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御するものと見ることもできる。
【００１５】
上記制御回路ユニットには、第一ポンプ素子制御回路と、第一ポンプ電流検出回路と、第二ポンプ素子制御回路と、第二ポンプ電流検出回路とを互いに一体的に組み付ける組付け手段を設けることができる。これにより、ユニット全体がコンパクト化され、ＮＯｘセンサへの取付けも容易となる。
【００１６】
また、該制御回路ユニットには、第一ポンプ素子、酸素濃度検出素子及び第二ポンプ素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくように、発熱制御回路に対し加熱素子の発熱制御を指令する発熱制御指令手段として少なくとも機能するマイクロプロセッサを設けることができる。これにより、ＮＯｘセンサに該制御回路ユニットを装着するだけで、各素子の温度制御を行うことが可能となり、かつ発熱制御指令手段も含めたユニット全体の構成を一層コンパクトなものとすることができる。
【００１７】
さらに、上記制御回路ユニットには、第一ポンプ電流検出回路による第一ポンプ電流検出信号と、第二ポンプ電流検出回路による第二ポンプ電流検出信号とを、それぞれデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路を設けることができる。これにより、第一ポンプ電流検出信号と第二ポンプ電流検出信号とをマイクロプロセッサ等によりデジタル処理したい場合に、ユニットから直接デジタル出力を取り出すことができるので便利である。
【００１８】
そして、前述のマイクロプロセッサを搭載する場合には、該マイクロプロセッサを、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル変換された第一ポンプ電流検出信号に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度情報を生成する酸素濃度情報生成手段として機能させ、同じく第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とに基づいて被測定ガス中の窒素酸化物濃度情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段として機能させることができる。これにより、制御回路ユニットから、酸素濃度情報と窒素酸化物濃度情報とを取り出すことも可能となる。
【００１９】
他方、上記マイクロプロセッサが出力するデジタル信号のうち、酸素濃度情報、窒素酸化物濃度情報、酸素濃度情報に基づいて生成される空燃比情報、及び酸素濃度情報に基づいて生成される過剰酸素率情報の、少なくともいずれかに関するデジタル信号をアナログ変換し、これを対応するアナログ信号として出力するＤ／Ａ変換回路を設けることもできる。これにより、上記各情報をアナログ出力の形で取り出すことが可能となり、自動車エンジンをはじめとする内燃機関等の制御信号としても活用しやすくなる。また、上記デジタル信号に基づいて、被測定ガスの酸素濃度、窒素酸化物濃度、空燃比及び過剰酸素率の少なくともいずれかを表示する表示装置を設けることもできる。これにより、各情報の内容を視覚的に把握することが可能となる。
【００２０】
また、接続対象となるＮＯｘセンサが、第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子との少なくともいずれかのものの温度を検出する温度検出部とを備えたものである場合、上記マイクロプロセッサは、温度検出部にて検出される温度の情報と第一ポンプ電流検出信号及び第二ポンプ電流検出信号とに基づいて、温度補正された酸素濃度及び窒素酸化物濃度の各情報（以下、これらを総称して被検出成分濃度情報という）を生成する被検出成分濃度情報温度補正手段として機能するものとすることができる。
【００２１】
これにより、例えば酸素濃度検出素子の温度が、排気ガス温度の急変等により一時的に変化することがあっても、温度補正された形で被検出成分の濃度情報が生成されるので、該被検出成分の検出精度を良好に維持することができる。この場合、酸素濃度検出素子の温度は、サーミスタや熱電対など、別途設けられた温度センサを用いて測定してもよいが、各素子を構成する固体電解質の内部抵抗の値が温度によって変化するので、これを利用して温度を測定するようにすれば温度センサを設ける必要がなくなり、ひいては測定系の構成を単純化できる利点がある。この場合、上記制御ユニットには、酸素濃度検出素子を温度検出部として、その内部抵抗を測定するための内部抵抗測定制御回路を設ければよい。また、マイクロプロセッサを設ける場合には、そのマイクロプロセッサにより機能実現される発熱制御指令手段は、内部抵抗の測定結果に基づいて、第一ポンプ素子、酸素濃度検出素子及び第二ポンプ素子の各温度が予め定められた温度目標値に近づくように、発熱制御回路に対し加熱素子の発熱制御を指令するものとすることができる。
【００２２】
上記内部抵抗測定制御回路には、酸素濃度検出素子に対し一定の内部抵抗検出電流を通電する内部抵抗検出電流通電回路を設けることができる。これによれば、定電流通電時の印加電圧から酸素濃度検出素子の内部抵抗を簡単に測定することができる。この場合、上記マイクロプロセッサは、該内部抵抗検出電流を通電したときに酸素濃度検出素子に印加される電圧（以下、抵抗検出電圧という）を、酸素濃度検出素子の内部抵抗情報として検出する内部抵抗情報検出手段として機能するものとすることができる。
【００２３】
内部抵抗測定制御回路は、酸素濃度検出素子に対し内部抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素濃度検出素子に対し、内部抵抗検出電流とは逆方向の修正電流を通電する修正電流通電回路を備えるものとして構成することができる。酸素濃度検出素子に内部抵抗測定用電流を通電すると、酸素濃度検出素子内においてその通電と逆方向に酸素が輸送され、酸素濃度検出素子両側の酸素濃度に変化を生ずる。その結果、ＮＯｘセンサが被検出成分濃度の測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分濃度の測定精度に対する誤差の要因ともなりうる。また、酸素濃度検出素子の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃度検出素子内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電に伴い分極を生ずることもある。そこで、修正電流通電手段により、酸素濃度検出素子に対し内部抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素濃度検出素子に対し、内部抵抗検出電流と逆方向に修正電流を通電するようにすれば、その通電により上記とは逆向きに酸素が輸送されるので、変化した酸素濃度が内部抵抗測定前の状態に近づき、復帰後の被検出成分濃度の測定精度が高められるとともに、酸素濃度検出素子の分極状態も解消することができる。この場合、修正電流の大きさ及び通電時間は、内部抵抗検出電流通電時に輸送されると考えられる酸素量とほぼ同量の酸素が、該修正電流の通電により逆輸送されるように設定するのがよく、例えば内部抵抗検出電流とほぼ大きさが同じ電流を、該内部抵抗検出電流とほぼ同時間通電するのがよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照して説明する。
図１は、ガスセンサの一例としての窒素酸化物センサ（以下、ＮＯｘセンサという）１を示している。すなわち、ＮＯｘセンサ１は、それぞれ横長板状に形成された第一ヒータ２、第一ポンプ素子３、酸素濃度検出素子４、第二ポンプ素子５及び第二ヒータ８がこの順序で積層され一体化されたものとして構成されている。また、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間には第一処理室９が、酸素濃度検出素子４と第二ポンプ素子５との間には第二処理室１０が形成されている。
【００２７】
各素子３〜５は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。本実施例では、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２固体電解質セラミックが使用されているものとする。一方、第一及び第二ヒータ２，８は、公知のセラミックヒータで構成されており、各素子３〜５を所定の作動温度、例えば７５０〜８５０℃、望ましくは７８０〜８３０℃（例えば８００℃）に加熱する役割を果たす。この加熱温度は、ヒータ２，８の耐久性向上のため、従来のＮＯｘセンサよりはやや低めに設定されている。
【００２８】
各素子３〜５の境界部分には、Ａｌ２Ｏ３等を主体とした絶縁層（図３に示す絶縁層２６０等：図１では示さず）が介挿されている。このような積層一体化されたセンサの構造は、上記各素子３〜５となるべきセラミックグリーンシート（セラミック成形体）を積層して焼成することにより製造することができる。
【００２９】
第一処理室９の両側壁部分には、該第一処理室９と外部の被測定空間とを連通させる第一気体流通部１１が形成されている。図１（ｂ）に示すように、第一気体流通部１１は、第一処理室９の幅方向両側において第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間にまたがる形態で形成されるとともに、第一処理室９の側縁に沿って第一ポンプ素子３ないし酸素濃度検出素子４の長手方向に延びており、多孔質Ａｌ２Ｏ３焼成体等により連通気孔を有する多孔質セラミック体として構成されている。これにより、該第一気体流通部１１は、外部からの排気ガスを一定の拡散抵抗のもとに第一処理室９内に導く拡散律速部として機能する。
【００３０】
次に、第一処理室９と第二処理室１０とに挟まれた部分は、酸素イオン伝導性固体電解質で構成された隔壁１２となっている。換言すれば、上記２つの処理室９，１０は、該隔壁１２を挟んで隣接して配置されている。そして、この隔壁１２には、第一処理室９と第二処理室１０とを連通させる第二気体流通部１３が形成されており、その厚さ方向中間部には酸素基準電極１４が埋設されている。第二気体流通部１３も、第一気体流通部１１と同様に多孔質セラミック体として構成されており、第一処理室９内の気体を第二処理室１０へ一定の拡散抵抗のもとに導く拡散律速部として機能する。なお、上記拡散律速部は、多孔質セラミック体（あるいは金属体）で形成する代わりに、小孔やスリットで構成してもよい。
【００３１】
他方、隔壁１２の第一処理室９に面する表面には第一電極１５が形成されており、酸素濃度検出素子４の要部は、該第一電極１５と、酸素基準電極１４と、それら電極１５，１４の間に挟まれた隔壁部分１２ａとによって構成されている。一方、第二ポンプ素子５の両面には、それぞれ電極１７，１８が、第一ポンプ素子３の両面には、電極１９，２０がそれぞれ形成されている。なお、電極１５，１４は、酸素濃度検出素子４の長手方向において互いにずれた位置関係で形成されている。
【００３２】
上記各電極１４，１５，１７〜２０はいずれも、各素子３〜５を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極（例えばＰｔ多孔質電極）として構成されている。このような多孔質電極は、例えば上記金属ないし合金の粉末と、下地となる固体電解質セラミックとの密着強度を向上させるために該下地と同材質の固体電解質セラミック粉末を適量配合してペーストを作り、これを用いて下地となるべきセラミックグリーンシート上に電極パターンを印刷形成して、一体焼成することにより形成される。
【００３３】
なお、図１に示すように、各素子３〜５の各電極１４，１５，１７〜２０からは、素子の長手方向に沿ってＮＯｘセンサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部１４ａ，１５ａ，１７ａ〜２０ａ（図１では１４ａ，１５ａ，２０ａのみ表れている）がそれぞれ一体に形成されており、該基端側において各素子３〜５には接続端子１４ｂ，１５ｂ，１７ｂ〜２０ｂの一端が埋設されている。そして、図２に示すように、各接続端子（２０ｂ）は、金属ペーストの焼結体として素子の厚さ方向に形成された導通部（２０ｃ）により、電極リード部（２０ａ）の末端に対して電気的に接続されている（図では、電極リード部２０ａの場合について代表させて示している）。
【００３４】
また、図１に示すように、酸素基準電極１４は第二気体流通部１３と干渉しない位置に形成されている。これにより、ＮＯｘ濃度の検出出力をより安定化させることができる。一方、酸素濃度検出素子４の第一電極１５は、第二気体流通部１３と重なりを有する位置に形成され、該第二気体流通部１３に対応する位置には、気体の流通を確保するために貫通穴１５ｈが形成されている。
【００３５】
次に、第一処理室９及び第二処理室１０には、図３（ｂ）に示すように、焼成時の処理室空間の潰れを防止する支柱部２１０が、散点状あるいは千鳥状に形成されている。このような構造の製造方法を第一処理室９を例にとって説明する。すなわち、図３（ａ）に示すように、第一ポンプ素子３となるべきセラミックグリーンシート２２０と、同じく酸素濃度検出素子４となるべきセラミックグリーンシート２３０との各々の対向面において第一処理室９に予定された領域に、セラミック粉末ペースト（例えば多孔質Ａｌ２Ｏ３粉末ペースト）を用いて、支柱部２１０となるべき支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂを形成する。また、その支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂと重なりを生じない位置において同じく該第一処理室９に予定された領域に、焼成時に燃焼ないし分解する材質の粉末ペースト（例えばカーボンペースト）により補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂを形成する。さらに、上記第一処理室９に予定された領域を除く他の領域には、絶縁層パターンとしての貼合わせコート２６９がＡｌ２Ｏ３粉末ペースト等により支柱部パターン２１０の高さよりも小さい厚さで形成される。また、図示はしていないが、第一処理室９となるべき領域の両側には、多孔質Ａｌ２Ｏ３焼成体による第一気体流通部１１（図１）を形成するための連通部パターンが多孔質Ａｌ２Ｏ３粉末ペーストにより形成される。
【００３６】
これを焼成することにより、図３（ｂ）に示すように、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間においては、補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂが消失するとともに、上記支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂが焼成により一体化して支柱部２１０が形成される。また、この支柱部２１０により大きさが規定された形で第一処理室９が形成され、その幅方向両側には図１（ｂ）に示すような多孔質セラミック体による第一気体流通部１１が形成される。一方、第一処理室９を除く他の領域においてそれら酸素濃度検出素子４と第一ポンプ素子３とは、貼合わせコート２６９に基づく絶縁層２６０を介して互いに接合される。
【００３７】
ここで、図４に示すように、支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂと、補助支持パターン２６７ａ，２６７ｂとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に形成され、例えば図３（ａ）のグリーンシート２２０及び２３０を互いに積層した際に、補助支持パターン２６７ａ，２６７ｂによる補強効果に基づき、支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂが両者の間で潰れることが防止ないし抑制される。また、グリーンシート２２０及び２３０は柔軟であり、図３（ａ）に誇張して示すように、貼合わせコート２６９が支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂの合計厚さよりもかなり薄く形成されていたとしても、グリーンシート２２０及び２３０が少し橈むことで、両者は貼合わせコート２６９を介して密着でき、焼成により支障なく一体化することができる。
【００３８】
図５は、ＮＯｘセンサ１を用いた本発明のガスセンサシステム（以下、単にセンサシステムという）の一例の電気的構成を示すブロック図である。すなわち、該センサシステム３０は、上記ＮＯｘセンサ１と、該ＮＯｘセンサ１に接続された本発明の一実施例たるＮＯｘセンサ用制御回路ユニット（以下、単に制御回路ユニットという）３１とによって構成されている。制御回路ユニット３１は、マイクロプロセッサ５２と、ＮＯｘセンサ１とマイクロプロセッサ５２とを接続する周辺回路５１とから構成されている。マイクロプロセッサ５２は、出入力インターフェースとしてのＩ／Ｏポート５２ａと、これに接続されたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５５、ＲＯＭ５４等により構成されている。ＣＰＵ５３は、ＲＡＭ５５をワークエリアとしてＲＯＭ５４に格納された制御プログラムにより、酸素濃度情報生成手段及び窒素酸化物濃度情報生成手段として機能する。
【００３９】
周辺回路５１は、第一ポンプ素子制御回路５６、第二ポンプ素子制御回路５７、基準用定電流電源回路５８、リミッタ回路５９、内部抵抗測定制御回路６０、ヒータ制御回路（発熱制御回路）７２、内部抵抗測定制御回路６０からの検出出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路６４、第一ポンプ素子制御回路５６及び第二ポンプ素子制御回路５７からの検出出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路６５等を含んで構成されている。これらＡ／Ｄ変換回路６４及び６５からのデジタル出力は、Ｉ／Ｏポート５２ａよりマイクロプロセッサ５２に入力される。
【００４０】
また、マイクロプロセッサ５２のＩ／Ｏポート５２ａには、データ記憶部６６、マイクロプロセッサ５２からのデジタル出力信号をアナログ変換するＤ／Ａ変換回路６７が接続されている。Ｄ／Ａ変換回路６７には、そのアナログ変換された出力に基づいて、被検出ガスの窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも記す）濃度、酸素（以下、Ｏ２とも記す）濃度、空燃比（以下、Ａ／Ｆとも記す）等の情報を反映したアナログ信号出力を生成する出力回路６８が接続されている。さらに、Ｉ／Ｏポート５２ａには、マイクロプロセッサ５２からのデジタル出力信号に基づいて、ＮＯｘ濃度、Ｏ２濃度、Ａ／Ｆ等の値を表示する（例えば数値表示する）表示装置６９が接続されている。
【００４１】
図６は、周辺回路５１の詳細を示す回路図である。まず、基準用定電流電源回路５８は酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側に接続されており、センサ作動温度における酸素濃度検出素子４の内部抵抗値よりも十分大きい抵抗値（例えば該内部抵抗値の１０００〜５０００倍程度）を有する抵抗器９０を介して、該酸素濃度検出素子４に対し電源電圧AVccを印加するようになっている。これにより、酸素濃度検出素子４には第一処理室９側から該酸素基準電極１４側に酸素が汲み込まれる方向に、ほぼ一定の微小電流Ｉ0が印加され、多孔質の酸素基準電極１４内をほぼ１００％に近い酸素濃度の基準ガスで満たす役割を果たす。
【００４２】
第一ポンプ素子制御回路５６は、ポンプ電流制御部６２とＰＩＤ制御部６３とを含み、ＰＩＤ制御部６３の入力側は、内部抵抗測定制御回路６０と基準用定電流電源回路５８とを介して、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４（正極側）に接続されている。他方、ＰＩＤ制御部６３の出力側は、ポンプ電流制御部６２のオペアンプ１０２と、リミッタ回路５９とを介して第一ポンプ素子３の外側の電極２０（正極側）に接続されている。さらに、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との第一処理室９に面する各電極１９及び１５は配線７０によりＰＩＤ制御部６３の出力側に共通結線されている。
【００４３】
ＰＩＤ制御部６３は、要部が２つのオペアンプ１０４，１０５と周辺の抵抗器及びコンデンサから構成される。このうち前段のオペアンプ１０４は抵抗器１０４ａ及びコンデンサ１０４ｂとともに、ローパスフィルタ機能を備えた反転増幅器として機能する。その正側には基準電圧Ｖr1（例えば２．５Ｖ）が入力され、負側には酸素基準電極１４に接続される。この負側の入力電圧は、酸素濃度検出素子４の出力電圧となるが、該出力電圧は酸素基準電極１４側の酸素濃度と第一処理室９側の酸素濃度との差に基づいて、酸素濃度検出素子４に生ずる濃淡電池起電力が主体になるものである。
【００４４】
ここで、上記負側入力は、バイアス電圧Ｖr2によりバイアスされている。該バイアス電圧Ｖr2は、酸素濃度検出素子４の出力電圧Ｖemfの目標値Ｖemf0を、上記基準電圧Ｖr1から差し引いた値（すなわちＶr1−Ｖemf0）として設定されている。従って、オペアンプ１０４は、ＶemfとＶemf0との差Ｖemf−Ｖemf0を反転差動増幅して出力する形となる。なお、基準電圧Ｖr1とバイアス電圧Ｖr2とは、電源電圧AVcc（本実施例では例えば８Ｖ）を抵抗器１０４ｇ，１０４ｈあるいは１０４ｉ，１０４ｊにより分圧調整して作られている。
【００４５】
次に、２段目のオペアンプ１０５は、周辺の抵抗器あるいはコンデンサ１０５ａ〜１０５ｆとともにＰＩＤ動作部を形成し、オペアンプ１０４からの入力電圧と基準電圧Ｖr1との差分に応じたＰＩＤ動作を行う。ここで、抵抗器１０５ｅ，１０５ｂはその比例項を、抵抗器１０５ｆとコンデンサ１０５ａは積分項を、抵抗器１０５ｅとコンデンサ１０５ｄは微分項をそれぞれ形成するためのものである。なお、コンデンサ１０５ｃは、該ＰＩＤ動作部にローパスフィルタ機能を付与するためのものである。
【００４６】
該ＰＩＤ動作部の出力は、ポンプ電流制御部６２の要部をなす電流制御用のオペアンプ１０２に入力される。このオペアンプ１０２は単電源型のものであり、ＰＩＤ動作部からの入力電圧Ｖkと基準電圧Ｖr1との差分に応じて、その出力を０から最大値（本実施例では電源電圧AVcc）までの範囲で変化させ、第一ポンプ素子３に対し第一処理室９から酸素を汲み出す向きのポンプ電圧（通電電圧）Ｖpを印加する。これにより、第一処理室９内の酸素分圧は、酸素濃度検出素子４の出力電圧（自身に生ずる酸素濃淡電池起電力に基づき、第二気体流通部１３を通って第二処理室１０に導かれる気体中の酸素濃度を反映したものとなる）がＰＩＤ制御されつつ上記目標値Ｖemf0に維持されるよう、第一ポンプ素子３への通電電流値、すなわち第一ポンプ電流Ｉp1’が制御されることとなる。
【００４７】
ここで、リミッタ回路５９は、第一ポンプ素子３に過剰なポンプ電圧Ｖpが印加されないよう、その上限値を制限する役割を果たす。このようなリミッタ回路５９の機能は各種回路構成にて実現できるが、本実施例では、次のような回路構成を採用している。すなわち、該回路の要部をなすのは、電圧制御点ＰCにそれぞれダイオード５９ｆ，５９ｇを介して接続された２個のボルテージフォロワ用のオペアンプ５９ｄ，５９ｅであり、各々上限電圧Ｖmax（本実施例では例えば６Ｖ）と下限電圧Ｖmin（本実施例では例えば２Ｖ）とを出力側にて保持するように作動する。なお、ＶmaxとＶminとは、電源電圧AVccを抵抗器５９ａ〜５９ｃにより分圧調整する形で作られている。そして、制御点ＰCの電圧がＶmaxを超えようとした場合はダイオード５９ｆが導通してオペアンプ５９ｄの出力電圧と平衡し、その値がＶmaxに維持される。他方、Ｖminを下回ろうとした場合は、ダイオード５９ｇがオペアンプ５９ｅの出力電圧と平衡し、その値がＶminに維持される。
【００４８】
ポンプ電流制御部６２においては、例えばＰＩＤ作動部の出力経路上に電流検出用抵抗器１０１が設けられている。この抵抗器１０１は、第一ポンプ電流検出回路の主体をなすものであり、その両端電圧の差が第一ポンプ電流Ｉp1’（ただし、後述の第二ポンプ電流Ｉp2が重畳されている）の検出信号として、周辺の抵抗器１０３ａ〜１０３ｄとともに差動増幅器を構成するオペアンプ１０３により電圧信号の形で取り出され、さらにＡ／Ｄ変換回路６５でデジタル化されて、図５のマイクロプロセッサ５２に入力される。ただし、電流検出用抵抗器１０１の両端電圧を個別にＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサ５２に入力し、マイクロプロセッサ５２の内部処理によりその差分を演算して電流値検出を行ってもよい。
【００４９】
次に、第二ポンプ素子制御回路５７は、第二ポンプ素子５に対して、第二処理室１０から酸素を汲み出す方向の一定の第二ポンプ電圧Ｖp2を印加するためのものであり、印加電圧発生部７５と第二ポンプ電流検出回路７６とを備える。印加電圧発生部７５は、電源電圧AVccを分圧調整することにより所期の印加電圧を発生させる抵抗器７５ａ，７５ｂと、ボルテージフォロワ用のオペアンプ１０６とを含み、該オペアンプ１０６の出力側電圧が印加すべきポンプ電圧Ｖp2に維持される。また、第二ポンプ電流検出回路７６は、例えば第二ポンプ電圧Ｖp2の入力経路上に設けられた電流検出用抵抗器１０７を主体に構成される。該抵抗器１０７の両端電圧の差が第二ポンプ電流Ｉp2の検出信号として、周辺の抵抗器１０８ａ〜１０８ｄとともに差動増幅器を構成するオペアンプ１０８により電圧信号の形で取り出され、さらにＡ／Ｄ変換回路６５でデジタル化されて、図５のマイクロプロセッサ５２に入力される。ただし、この場合も電流検出用抵抗器１０７の両端電圧を、個別にＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサ５２に入力するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、酸素濃度検出素子４の出力電圧の目標値Ｖemf0は、例えば３００〜５００ｍＶ（本実施例では、例えば３５０ｍＶ）の範囲で調整される。これは、ネルンストの式に基づいて算出される酸素分圧値に換算して１０−１０〜１０−６ａｔｍ（本実例ではおおむね１０−７ａｔｍ）の範囲に対応するものである。このことは、酸素濃度検出素子４が検出する第一処理室９内の酸素分圧、換言すれば、少なくとも第二気体流通部１３を通って第二処理室１０に導かれる気体中の酸素分圧が上記範囲で調整されることを意味する。
【００５１】
上記酸素分圧が１０−１０ａｔｍ未満（あるいは出力電圧目標値Ｖemf0が５００ｍＶ以上）になると、第一処理室９内において被測定ガス中のＮＯｘの分解が進み過ぎ、該ＮＯｘの検出精度が低下する場合がある。他方、上記酸素分圧が１０−６ａｔｍを超えると、第二処理室１０に導かれるガス中に残留する酸素濃度が高くなり過ぎ、後述する第二ポンプ素子５のオフセット電流値が過剰に大きくなって、ＮＯｘの検出精度が低下する場合がある。他方、本発明者らの検討によれば、第一処理室９内の酸素分圧は、導入される被測定ガス中のＮＯｘがある程度分解を起こすレベルに設定されることが、センサの温度変化や被測定ガス中の酸素濃度変化に対するＮＯｘの検出出力の安定性を確保する上で重要であることが判明している。従って、上記酸素分圧が１０−６ａｔｍを超えると、ＮＯｘの分解がほとんど生じなくなり、ＮＯｘの検出出力の安定性を確保できない場合がある。
【００５２】
次に、内部抵抗測定制御回路６０は、例えばＣＭＯＳ−ＩＣ等で構成された両極性型アナログスイッチ回路７９を含み、そのスイッチＳｗ1が、例えば酸素基準電極１４から第一ポンプ素子制御回路５６に向かう経路上に配置されている。さらに、アナログスイッチ回路７９と第一ポンプ素子制御回路５６との間にはサンプルアンドホールド回路（以下、Ｓ＆Ｈ回路と記す）１２０が設けられている。他方、アナログスイッチ回路７９のＳｗ2及びＳｗ3には、電流値ＩCで極性が互いに異なる定電流電源回路７７，７８がそれぞれ接続されている。また、Ｓ＆Ｈ回路１２０を経て出力される後述の内部抵抗検出信号ΔＶSは、Ａ／Ｄ変換回路６４でデジタル変換されてマイクロプロセッサ５２に入力されるようになっている。
【００５３】
なお、第一ポンプ電流制御回路５６、第二ポンプ電流制御回路５７、及びアナログスイッチ回路７９の各スイッチＳｗ1〜Ｓｗ3は、マイクロプロセッサ５２からの制御信号を受けてオン・オフする（図１０参照）。
【００５４】
図７は、ヒータ制御回路７２の例を示すものである。同図（ａ）のヒータ制御回路７２では、マイクロプロセッサ５２から与えられるヒータ制御値をアナログ変換するＤ／Ａ変換回路８０と、これに接続されたトランジスタ８２とを備え、このトランジスタ８２にヒータ２及び８が接続されている。トランジスタ８２は能動領域で作動し、与えられるヒータ制御値に応じてヒータ２，８の通電電流を増加させる。
【００５５】
一方、同図（ｂ）は、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御方式を採用したヒータ制御回路７２の例を示すものである。この回路７２の主体をなすのはＰＷＭ制御回路８５であり、マイクロプロセッサ５２から与えられるヒータ制御電圧値をアナログ変換するＤ／Ａ変換器８６と、三角波（あるいはのこぎり波）発生回路８７と、それらＤ／Ａ変換器８６及び三角波発生回路８７からの出力がそれぞれ入力されるオペアンプ８８とを含んで構成されている。オペアンプ８８は単電源型のもので、ヒータ制御電圧値と三角波入力値との大小関係に応じてゼロ及びゼロでない所定電圧Ｖのいずれかを出力するコンパレータとして作動する。この場合、そのコンパレータ出力のデューティ比がヒータ制御電圧値に応じて変化する形となり、ヒータ２，８の発熱が調整される。
【００５６】
さて、図５において、第一ポンプ素子制御回路５６、第二ポンプ素子制御回路５７、基準用定電流電源回路５８、リミッタ回路５９、内部抵抗測定制御回路６０、ヒータ制御回路７２、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５、マイクロプロセッサ５２、Ｄ／Ａ変換回路６７、出力回路６８等は回路基板３２に組みつけられ、互いに一体化されている。そして、図８に示すように、この基板３２がケース３１ａに収容され、制御回路ユニット３１を構成している。該制御回路ユニット３１は、ケーブル８９とコネクタ９０とを介してＮＯｘセンサ１に着脱可能に装着される。
【００５７】
図５に戻り、データ記憶部６６は、マイクロプロセッサ５２に着脱可能に装着される半導体メモリデバイスとして構成されている（以下、半導体メモリデバイス６６とも記す）。本実施例では、図８に示すように、該データ記憶部として、ＥＰＲＯＭとして構成されたほぼボタン状の半導体メモリデバイス（例えば、ダラス・セミコンダクター・コーポレーション製の商品名タッチメモリボタン（ＤＳ１９９５））６６が使用されている。この半導体メモリデバイス６６は、直径２ｃｍ足らずの小型のものであり、ほぼ菱形のマウント６６ａ（同社製の商品名タッチメモリマウントブロダクツ（ＤＳ９０９３ｘ））にはめ込まれ、このマウント６６ａがケース３１ａの外面にビス止めされる。
【００５８】
以下、上記ＮＯｘセンサシステム３０の作動について説明する。概略は以下の通りである。まず、図６において、アナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1をオンとし、同じくスイッチＳｗ2，Ｓｗ3をオフとして、第一ポンプ素子制御回路５６と第二ポンプ素子制御回路５７とを作動させる（これらは図５に示すように、マイクロプロセッサ５２からの作動指令信号を受けて作動する）。被測定ガスは第一気体流通部１１を介して第一処理室９内に導入され、そこで第一ポンプ素子３の作動により酸素が汲み出されて、酸素濃度検出素子４の出力電圧が一定の目標値Ｖemf0が維持されるようにその酸素濃度が調整される。このときの第一ポンプ電流値Ｉp1’の検出信号はＡ／Ｄ変換回路６４を介してマイクロプロセッサ５２に入力される。
【００５９】
酸素濃度調整後の被測定ガスは第二気体流通部１３を介して第二処理室１０に流入する。このとき第二ポンプ素子５に流れる第二ポンプ電流Ｉp2は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じて変化する。しかしながら、第二ポンプ電流Ｉp2の値とＮＯｘ濃度との関係は、被測定ガス中にもともと含有されている酸素濃度レベルによって変化するため、その酸素濃度レベルと第二ポンプ電流Ｉp2との両方の値を特定することにより、ＮＯｘ濃度を知ることができる。
【００６０】
この場合、第一ポンプ電流値Ｉp1’は被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化するため、この第一ポンプ電流値Ｉp1’の値に基づいて該酸素濃度を知ることができる。ただし、図６の回路構成では、電流検出抵抗器１０１が検出する上記電流値Ｉp1’は、前述の通り第一ポンプ素子３を流れる真の電流値Ｉp1に対し、第二ポンプ電流値Ｉp2が重畳されたものであるから、Ｉp1’−Ｉp2（以下、この値をＩp1と記し、これを第一ポンプ電流値と呼ぶ）の値に基づいて酸素濃度を決定することとなる。ただし、一般にはＩp1の電流レベルと比較してＩp2の電流レベルは小さいので、Ｉp2の重畳の影響がほぼ無視できると判断できる場合には、上記Ｉp1’を近似的に第一ポンプ電流値として用いても差しつかえない。
【００６１】
そして、図５のマイクロプロセッサ５２による酸素濃度及びＮＯｘ濃度の決定手順であるが、まず、Ｉp1’とＩp2とからＩp1を求め、データ記憶部６６に記憶されたＩp1と酸素濃度ＣOXとの関係（数値テーブルもしくは数式）を参照して酸素濃度ＣOXの値を決定する。他方、データ記憶部６６に記憶されたＩp1、Ｉp2及びＮＯｘ濃度ＣNXの関係（例えば図９に示すような２次元の数値テーブル２００）を参照してＮＯｘ濃度ＣNXの値を決定する。なお、この２次元の数値テーブル２００は、個々のＮＯｘセンサ毎に実験により定められたものが使用される。
【００６２】
上記決定されたＣOXあるいはＣNXの値は、Ｄ／Ａ変換回路６７及び出力回路６８を経て、酸素濃度及びＮＯｘ濃度のアナログ出力信号として外部に出力される他、デジタル情報の形で表示装置６９（例えば液晶ディスプレイあるいは７セグメントＬＥＤ表示装置等を表示部として含む）に送られ、濃度値が数値等により視覚表示される。なお、マイクロプロセッサ５２にてＩp1の値に基づいてＡ／Ｆや過剰酸素濃度を算出し、これを出力するようにしてもよい。
【００６３】
ところで、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保するには、上記各素子３〜５の温度、特に第一処理室９内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子４の温度を一定に制御する必要があり、このためには、ヒータ制御回路７２から各ヒータ２，８への通電電流量を、酸素濃度検出素子４の温度が目標温度となるように制御する必要がある。そこで、本実施例では、マイクロプロセッサ５２により、図６のアナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1〜Ｓｗ3のオン・オフ状態を切り換えることにより酸素濃度検出素子４の温度をその内部抵抗ＲVSから検出し、この検出した内部抵抗ＲVSが一定値（つまり酸素濃度検出素子４の温度が目標温度）となるように、ヒータ制御回路７２からヒータ２，８への通電量を制卸するようにしている。
【００６４】
以下、この場合の作動について、図１４〜図１６はそのフローチャートを用いて説明する。まず、図１４のＳ１において、ＮＯｘセンサ１の活性化処理を行う。活性化処理の目的は、ヒータ２，８の通電を開始し、各素子３〜５を所定の作動温度に安定化させることにある。そして、素子温度の検出は、酸素濃度検出素子４の内部抵抗を測定し、その内部抵抗値ＲVSが図１２に示すように一定の温度依存性を示すことを利用して行う。
【００６５】
その処理の詳細を図１５に示している。すなわちＳ１０１において、ヒータ制御回路７２に制御値Ｖiとして初期設定値Ｖh0を設定する。このとき、アナログスッチ回路７９のＳｗ1〜Ｓｗ3は全てオフとする。この状態で、Ｓ１０２でヒータ制御回路７２に対し、ヒータ制御電圧値Ｖiの初期設定値Ｖh0を出力することでヒータの通電が開始される。そして、Ｓ１０３において通電開始から一定時間ｔ0が経過したら、温度制御処理に入る。まず、Ｓ１０５で活性化判断カウンタ値Ｎをクリアする。
【００６６】
次いで、Ｓ１０６に進み、内部抵抗測定処理となる。その流れを図１６のフローチャート（ただし、ここでは、ＬFにて示したＳ２０１〜Ｓ２０８の部分のみ）と図１０の回路図を用いて説明する。さらに、図１１に、その処理におけるアナログスイッチ回路７９（図６）のＳｗ1〜Ｓｗ3の作動タイミング図を、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の電圧信号ＶSと対応付けて示している。まず、図１０においてＳ＆Ｈ回路１２０は、アナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1がオフとなったときに、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の出力電圧ＶSの直前の値をホールドするためのコンデンサ１２１と、ボルテージフォロワとして機能するオペアンプ１２２（以下、ボルテージフォロワ１２２という）と、ボルテージフォロワ１２２の出力電圧と酸素基準電極１４から直接入力される出力電圧ＶSとの差分を増幅するオペアンプ１２３（以下、差動増幅器１２３という）とを含んでいる。
【００６７】
図１６の処理の流れにおいては、まず、Ｓ２０１において、図６のアナログスイッチ回路７９のＳｗ1をオンとする。これにより、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の出力電圧信号ＶSが、ボルテージフォロワとしてのオペアンプ１２２を経て第一ポンプ素子制御回路５６に出力される。このとき、コンデンサ１２１の端子電圧はＶSのレベルに応じて変化する。そして、内部抵抗の測定タイミングが到来すると、Ｓ２０２で、Ｓｗ1をオフとし、代わってＳｗ2をオンとする。すると、コンデンサ１２１によりＳｗ1がオフとなる直前の出力電圧ＶS1がホールドされる。このホールドされた出力電圧信号ＶS1はボルテージフォロワ１２２を経て第一ポンプ素子制御回路５６に供給される。これにより、第一ポンプ素子制御回路５６は、内部抵抗測定のためにＳｗ1がオフとなっている間も、ホールドされた出力電圧ＶS1を受けて作動を継続する形となるので、ＮＯｘセンサ１の第一処理室９内の酸素濃度が大きく変化する不具合を生じない。
【００６８】
他方、Ｓｗ2がオンになると、酸素濃度検出素子４に内部抵抗検出用の定電流ＩCが通電される。ＩCを通電すると、酸素濃度検出素子４の出力電圧ＶSの値は、その内部抵抗に応じた値だけ降下する。この値と、先にホールドされたＶS1の値（すなわち、ＩC通電前の出力電圧）との差分ΔＶSが差動増幅器１２３にて増幅され、Ａ／Ｄ変換回路６４を経てマイクロプロセッサ５２に入力される。そして、定電流ＩCの通電開始から一定時間ｔ1だけ経過後の酸素濃度検出素子４の出力電圧ＶSの値をＶS2として、このときの差動増幅器１２３の出力ΔＶS＝ＶS1−ＶS2（内部抵抗検出信号）を、ＲＡＭ５５の測定値メモリエリアに格納する。そして、内部抵抗ＲVSは、このΔＶSを前述の定電流ＩCの値で割った値として算出され、ＲＡＭ５５の測定値メモリエリアに格納する（Ｓ２０４）。
【００６９】
ここで、定電流ＩCの通電開始から一定時間ｔ1だけ経過後にＶSを測定しているのは次の理由による。すなわち、酸素濃度検出素子４に定電流ＩCを通電すると、酸素濃度検出素子４内においてその通電と逆方向に酸素が輸送され、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度に変化を生ずる。その結果、図１１に示すように、濃淡電池起電力ＥmひいてはＶSの値も電流ＩCの通電継続に伴い変化する。ここで、内部抵抗測定の精度を確保するためには、通電により不可避的に生ずるＶSの変化を常にほぼ一定のものとすることが大切である。そして、内部抵抗測定用電流として一定の電流ＩCが使用されるわけであるから、ＶS測定までの通電時間が常にｔ1となるように制御すれば、それによる酸素輸送量すなわち酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化もほぼ一定となり、濃淡電池起電力ＥmひいてはＶSの変化をほぼ一定とすることができる。
【００７０】
次に、定電流ＩCの通電により、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化が生ずることにより、別の問題として、ＮＯｘセンサ１がＮＯｘ濃度の測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が測定精度に影響を及ぼす場合がある。また、酸素濃度検出素子４の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃度検出素子４内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電に伴い分極を生ずることもある。
【００７１】
この問題を解決するために、本実施例では次のような方式を採用している。すなわち、図１６のＳ２０５〜Ｓ２０８において、ＶSの検出後さらに一定時間ｔ2が経過後にＳｗ2をオフとして定電流ＩCの通電が終了する一方、代わってＳｗ3をオンとすることにより、極性が逆の定電流電源７８（修正電流通電手段）によりＩCとは逆方向で大きさが同じ修正電流ＩAを、ＩCの合計通電時間ｔ1＋ｔ2にほぼ等しい時間ｔ3だけ通電し、その後Ｓｗ3をオフとする（Ｓ２０８）。これにより、酸素濃度検出素子４において上記とは逆向きにほぼ同量の酸素が輸送され、ＩC通電により生じた酸素濃度変化が解消されて、内部抵抗測定前の状態に近づけることができる。なお、酸素濃度検出素子４の内部抵抗測定用の電流ＩCの通電時間を十分短くできる場合など、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化に及ぼす影響が小さいと判断できる場合には、図６において、修正電流ＩAを発生するための定電流電源７８を省略することも可能である（なお、これに対応してアナログスイッチ回路７９も、スイッチチャンネル数の少ないものを用いればよい）。
【００７２】
さて、図１５に戻り、前述の通りＲVSの値は酸素濃度検出素子４の素子温度Ｔと一定の関係を有しており、該関係を補正情報としてデータ記憶部６６（図５）に記憶しておけば、ＲVSの値から素子温度Ｔを決定することができる。また、ＲVSの値そのものを温度情報として使用することもできる。本実施例では、各種内部抵抗ＲVSの値と素子温度Ｔの値とを互いに対応付けて示すマップがデータ記憶部６６に記憶されており、このマップを参照して補間法によりＲVSに対応する温度Ｔを求めるようにしている（Ｓ１０７）。なお、算出された内部抵抗ＲVSの値は、ＲＡＭ５５（図５）に格納され、新たな内部抵抗ＲVSの検出・算出が行われた場合は上書き更新される。
【００７３】
この決定された素子温度Ｔが、上限値Ｔmax、下限値Ｔminの設定温度範囲内に入っているか否かがＳ１０８、Ｓ１１０で判断される。素子温度Ｔが上限値Ｔmaxよりも大きくなっている場合は、ヒータ制御電圧値Ｖiが一定の値ΔＶiだけ減少してヒータ２，８の発熱が抑制され、逆に下限値Ｔminを下回っている場合にはヒータ制御電圧値ＶiがΔＶiだけ増加してヒータ２，８の発熱が促進される（Ｓ１０９，Ｓ１１１）。また、Ｔmin≦Ｔ≦ＴmaxであればＶi現状の値が維持され、活性化判断カウンタ値Ｎをインクリメントする（Ｓ１１２，Ｓ１１３）。
【００７４】
そして、活性化判断カウンタ値Ｎの値が、例えば設定値ＮSに到達するまで、上記Ｓ１０６〜Ｓ１１３の処理を一定の時間間隔ｔaで繰返し（Ｓ１１４，Ｓ１１５）、ＮがＮSに到達すれば、素子温度Ｔはほぼ上記設定温度範囲内に維持されたものとみなし、図６においてアナログスイッチ回路７９のＳｗ2をオフ、Ｓｗ1をオンとし所定時間ｔｗだけウォームアップした後、活性化処理が終了する（Ｓ１１６，Ｓ１１７）。
【００７５】
図１４に戻り、活性化処理Ｓ１が終了するとＳ２に進み、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値を検出し、酸素濃度ＣOXとＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する。しかしながら、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値は素子温度Ｔによって変動するから、以下のようにして補正を行う（Ｓ３）。まず、ＲＡＭ５５（図５）に記憶されている酸素濃度検出素子４の内部抵抗値ＲVSの値を読み込んで、対応する温度Ｔを前述のマップ３０１を参照して決定する。そして、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値に対する各温度毎のポンプ電流補正量ΔＩp1及びΔＩp2は予め実験的に決定しておくことが可能であるから、各ΔＩp1及びΔＩp2の値と素子温度Ｔの値とを互いに対応付けて示すマップをこれに基づいて作成し、これをデータ記憶部６６に記憶しておけば、各ポンプ電流補正量ΔＩpはこのマップを参照して補間法によりに決定することができる。そして、ポンプ電流補正量ΔＩp1及びΔＩp2を実測されたＩp1及びＩp2に加算してこれを補正するとともに、その補正後のポンプ電流値Ｉp1及びＩp2に対応する酸素濃度ＣOXとＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する（Ｓ４）。これら値はＳ５において出力される。以降はＳ２に戻って以降の処理が繰り返される。
【００７６】
次に、素子温度Ｔは、活性化処理の際に設定された後も、前述したものと同様の内部抵抗測定処理を行うことで、上記炭化水素濃度の検出処理と並行してその制御が継続される。その処理の流れを図１６に示している。なお、この処理ルーチンは、図１５のルーチンに対する割り込み処理ルーチンとして、クロックパルス（図示しないクロック回路による）に基づく時間計測によりＣＰＵ５３（図５）が周期的に実行するものである。該実行の周期であるが、例えば０．３〜１mｓの範囲で設定することができる。実行周期が１mｓを超えると、温度測定ひいてはセンサによる濃度検出精度が十分確保できなくなる場合がある。一方、０．３mｓ未満になると、ＣＰＵ５３の処理時間に占める温度測定処理の比率が大きくなり過ぎ、濃度検出精度が十分確保できなくなる場合がある。ただし、ＣＰＵ５３としてクロック周波数の高いものなど、高速処理の可能なものを採用することで、実行周期を上記値以下とできる可能性もある。
【００７７】
まず、内部抵抗ＲVSの測定に係るＳ２０１〜Ｓ２０８の処理については、センサ活性化処理のところで既に説明済みであるから省略する。また、ＲVSから素子温度Ｔを決定し、それに基づいてヒータ制御電圧値Ｖiを決定するＳ２１０〜Ｓ２１５に至る処理は、図１５のセンサ活性化処理のＳ１０７〜Ｓ１１２に至る処理とほぼ同一であるので、これも説明を省略する。その後、Ｓ２１６で時間ｔ4だけ待機した後、Ｓ２１７でＳｗ1をオンとし、内部抵抗測定処理は終了する。以降は、再び図１４の濃度測定処理ルーチンの実行となる。素子温度Ｔの測定値は該内部抵抗測定処理が行われる毎に更新され、常にその更新された素子温度Ｔの情報が、図１４の濃度測定処理ルーチンにおいても使用される。また、ヒータ温度も、素子温度Ｔの測定値に基づいて定期的に補正されることとなる。
【００７８】
これにより、ヒータ２，８により酸素濃度検出素子４の温度が設定値に精度よく保持され、被検出ガス中の炭化物濃度の測定精度が向上する。また、被検出ガスが自動車エンジンの排気ガスである場合、図１３（ａ）に示すように、エンジンが急加減速を行った場合に排気ガス温度が急激に変化し、これに対応して酸素濃度検出素子４の温度Ｔが急激に変化した場合でも、図１３（ｂ）に示すように、酸素ポンプ電流Ｉpの温度変化分を補正することにより、素子温度Ｔの復帰を待たなくても、比較的精度の高い炭化物濃度の測定を続行することが可能となる。
【００７９】
なお、内部抵抗測定処理は、濃度測定処理ルーチンに対する割り込みルーチンとするのではなく、該濃度測定処理ルーチンのサブルーチンとして実行させることもできる。この場合のフローチャートの例を図１７に示す。Ｓ１〜Ｓ５の濃度の決定・出力処理は図１４と全く同じであるが、異なる点はＳ３０１〜Ｓ３０３のステップを追加することにより、１回判定が終了する毎に測定カウンタＮmをカウントアップするようになっている点である。そして、Ｓ３０２でＮmが一定のカウント数Ｎgに到達した場合に、Ｓ３０４として図１６に示したものと全く同一の内部抵抗測定処理が実行される。なお、内部抵抗測定処理実行後は、Ｓ３０１へ戻って測定カウンタＮmが１に戻り、以下同様の処理が繰り返される。この方法においては、内部抵抗測定処理が定期的に行われる点では変わりはないが、必ずしも一定の時間間隔ではなく、濃度測定処理が一定回数終了する毎に実行される点に特徴がある。こうすれば、ＮＯｘ濃度あるいは酸素濃度の測定処理が内部抵抗測定処理のために途中で中断されることがなくなり、エラー等の発生頻度も少なくなる。
【００８０】
さらに、定電流発生回路を図６に示す７７と７８との２台を用いる代わりに、図示しない極性切替え回路を用いて１台のものを随時極性を切り替えて使用するようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ５２側から指令された電流値及び極性により、その内容に応じた電流を発生できる回路（例えば電圧／電流変換回路を含むもの等）を用いるようにしてもよい。
【００８１】
また、図５の制御回路ユニット３１ではマイクロプロセッサ５２を搭載した形となっていたが、図２２に示すようにこれを省略する構成とすることもできる。この場合、ヒータ制御回路７２への入力端子７２ｔ、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５からの出力端子６４ｔ，６５ｔ、各制御指令信号の入力端子５６ｔ，６０ｔ，５７ｔ等を、コネクタ（あるいは基板３２に設けられたカードエッジ）９１にまとめ、ここに外部（例えば自動車側に搭載されたもの）のマイクロプロセッサを着脱可能に装着して使用する形態となっている。他方、図２１に示す例では、マイクロプロセッサ５２を搭載しているが、これはヒータ制御回路７２への制御指令手段としてのみ機能し、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５からの出力端子６４ｔ，６５ｔ、各制御指令信号の入力端子５６ｔ，６０ｔ，５７ｔ等はコネクタ９１にまとめられ、ここに外部の別のマイクロプロセッサが接続されて使用されるようになっている。
【００８２】
次に、Ｉp1から酸素濃度ＣOXを決定し、またＩp1とＩp2とからＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する別の方法について説明する。まず、図１のＮＯｘセンサ１につき予め標準品を定め、この標準品について酸素を含まない試験用ガスを被測定ガスとしたときの、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の特性（第一ポンプ電流Ｉp1をほぼゼロとした場合のＮＯｘ濃度出力特性に相当する）を測定し、これを標準電流パラメータ特性としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、マイクロプロセッサ５２は、第一ポンプ電流Ｉp1と第二ポンプ電流Ｉp2とを検出し、これら検出値から標準電流パラメータ特性に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を求めるのである。なお、酸素を含まない試験用ガスを被測定ガスとしたときの、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の変化率はほぼ一定であり、以下、これをゲインと称する。
【００８３】
ところで、本実施例では、被測定ガス中のＮＯｘ成分が過剰に分解してしまうことのないよう、第一処理室９内の酸素濃度を前述の分圧範囲（１０−１０〜１０−６ａｔｍ）内で制御しているため、第二処理室１０には、被測定ガス中のＮＯｘだけでなく第一処理室９において残留している酸素も不可避的に流入する。従って、第二ポンプ電流Ｉp2は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応して変化するものの、被測定ガス中の酸素濃度の影響も受ける。つまり、被測定ガス中のＮＯｘ成分がゼロの場合であっても、被測定ガス中に残留した酸素濃度によって第二ポンプ電流Ｉp2は変化する。このため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１について、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第二ポンプ電流（以下、オフセット電流という）の特性（以下・オフセット特性という）を予め測定しておき（図１９参照）、これを標準オフセット特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、検出された第二ポンプ電流Ｉp2から、そのときの酸素濃度（第一ポンプ電流Ｉp1から測定される）に対応したオフセット電流Ｉp2OFFを差し引くことにより、換言すれば第二ポンプ電流Ｉp2と第一ポンプ電流Ｉp1とに基づいて新たな電流パラメータＩpxを定め、これと上記標準電流パラメータ特性に基づいてＮＯｘ濃度を求めるようにするのである。
【００８４】
ポンプ電流制御の際の第一ポンプ電流Ｉp1は被測定ガス中の酸素濃度に依存して変化するため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１について、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第一ポンプ電流の特性（Ｉp1特性という）を予め測定しておき、これを標準Ｉp1特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、検出された第一ポンプ電流Ｉp1から標準Ｉp1特性に基づいて酸素濃度を検出する。この酸素濃度から上述の通りオフセット電流Ｉp2OFFを求めることができる。
【００８５】
なお、第二ポンプ電流Ｉp2はＮＯｘセンサ１の温度（以下、素子温度という）の変化に伴って変化するため、検出された第二ポンプ電流Ｉp2は素子温度に応じて前記した方式により補正するのが好ましい。ここで、被測定ガスの温度が急変したような場合には、温度制御を被測定ガスの温度変化に追従させることができず、素子温度が被測定ガスの温度変化によって変化することがある。この場合、その素子温度に伴って第二ポンプ電流Ｉp2が変化する。このため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１につきその温度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の特性（以下、温度特性という）を予め測定し、これを標準温度特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、前記したものと同様の方法により内部抵抗ＲVSから求めた素子温度から標準温度特性に基づいて補正量を求め、検出された第二ポンプ電流Ｉp2につき温度補正を行う。
【００８６】
また、ＮＯｘ濃度を検出するに当たり、ゲインは被測定ガス中の酸素濃度によって変化するため、標準電流パラメータ特性は酸素濃度に応じて修正するのが好ましい。本実施例では、上記標準品としてのＮＯｘセンサについて、ある酸素濃度（例えばゼロ）におけるゲインと、別の酸素濃度におけるゲインとを予め測定することにより、酸素濃度に対するゲインの１次関数的な特性（以下、ゲイン特性という）を演算し、これを標準ゲイン特性（図１９参照）として、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶している。そして、第一ポンプ電流Ｉp1から検出された酸素濃度から、標準ゲイン特性に基づいてゲインの補正量を求め、検出された第二ポンプ電流Ｉp2につきゲイン補正を行う。なお、上記ＲＯＭ５４が標準特性記憶手段に相当する。
【００８７】
上述した各特性、すなわちＩp1特性、オフセット特性、温度特性、ゲイン特性、Ｉp2特性は、ＮＯｘセンサ１ごとに微妙に異なる。このため、どのＮＯｘセンサに対しても絶えず上記各標準特性を用いてＮＯｘ濃度を検出していたのでは、十分な検出精度が得られない。そこで、本実施例では、ＮＯｘセンサごとに上記各特性を予め測定し、その測定した各特性が上記各標準特性と一致するような各補正データ（Ｉp1特性補正データ、オフセット特性補正データ、温度特性補正データ、ゲイン特性補正データ）を作成し、それをデータ記憶部６６に格納してある。
【００８８】
この場合のＮＯｘ濃度を検出する手順につき、図２０のフローチャートに従い説明する。このＮＯｘ濃度検出処理では、まずＳ４００にて図１５と全く同様の処理によりセンサ活性化処理を実行する。活性化が終了するとＳ４ｌ０に移行し、酸素濃度検出素子４の内部抵抗ＲVSを読み込む。また、Ｓ４２０では、第二ポンプ電流Ｉp2と第一ポンプ電流Ｉp1とを検出する。そして、Ｓ４３０では、Ｓ４１０において読み込んだ内部抵抗ＲVSに基づき、第二ポンプ電流Ｉp2に対する温度補正量を算出し、温度補正を行う。
【００８９】
すなわち、被測定ガスの温度が急変しても、第二ポンプ電流Ｉp2からＮＯｘ濃度を正確に検出できるようにするために、酸素濃度検出素子４の内部抵抗ＲVSから酸素濃度検出素子４の温度つまり素子温度を求め、この素子温度に対応する温度補正量を、ＲＯＭ５４（図１８）に記憶された標準温度特性に基づいて求める。そして、このようにして求めた温度補正量につき、データ記憶部６６から読み出した温度特性補正データで補正して補正済温度補正量とし、これを用いて温度補正を行う。なお、ＮＯｘセンサ１が標準品の場合、補正済温度補正量と標準温度特性によって求めた温度補正量とが一致する。
【００９０】
こうして温度補正が行われるとＳ４４０に進み、温度補正後の第二ポンプ電流Ｉp2からオフセット電流値を差し引いて、電流パラメータＩpxを算出する。すなわち、データ記憶部６６に格納されたＩp1特性補正データを読み出し、第一ポンプ電流Ｉp1をこのＩp1特性補正データで補正して補正済第一ポンプ電流Ｉp1とすることにより、その補正第一ポンプ電流Ｉp1から標準Ｉp1特性をそのまま用いて被測定ガス中の酸素濃度を求める。そして、この酸素濃度から標準オフセット特性をそのまま用いてオフセット電流値Ｉp2OFFを求め、このオフセット電流値Ｉp2OFFを、データ記憶部６６から読み出したオフセット特性補正データで補正することにより補正済オフセット電流値Ｉp2OFFとする。この補正済オフセット電流値Ｉp2OFFを第二ポンブ電流Ｉp2から減じた値を、電流パラメータＩpxとして用いる。
【００９１】
続くＳ４５０では電流パラメータＩpxに対してゲイン補正を行う。すなわち、Ｓ４４０において第一ポンプ電流Ｉp1により求めた酸素濃度から、標準ゲイン特性をそのまま用いてゲインを求め、このゲインをデータ記憶部６６から読み出したゲイン補正データで補正して補正済ゲインとし、これからゲイン補正係数（たとえば、補正済ゲイン／標準電流パラメータ特性におけるゲイン）を求め、この補正係数を用いて電流パラメータＩpxのゲイン補正を行う。なお、ＮＯｘセンサ１が標準品の場合、補正済ゲインと標準ゲイン特性から求めたゲインとが一致する。
【００９２】
そして、続くＳ４６０では、このゲイン補正後の電流パラメータＩpxから、標準電流パラメータ特性を用いてＮＯｘ濃度を求め、これを被測定ガス中のＮＯｘ濃度として出力する。
【００９３】
以上のような各補正データは、各ＮＯｘセンサに固有のものであるため、ＮＯｘセンサごとにデータ記憶部６６が添付される。そして、図８のコネクタ９０を外して別のＮＯｘセンサ１に交換する場合には、そのＮＯｘセンサ１に添付されたデータ記憶部６６に差し替えた上で、窒素酸化物濃度を検出する。
【００９４】
なお、本発明の適用対象となるガスセンサはＮＯｘセンサに限られるものではなく、例えば炭化水素（ＨＣ）を検出するＨＣセンサにも適用可能である。この場合、検出対象となる複数のガス成分は、例えば２以上のＨＣ成分とすることもできるし、酸素と、１又は２以上のＨＣ成分とすることもできる。また。ＨＣセンサ以外では、ＣＯセンサやアンモニアセンサ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるＮＯｘセンサの一例を示す正面断面図、及びそのＡ−Ａ断面図。
【図２】電極リード部と端子部との接続構造の一例を示す断面図。
【図３】図１のＮＯｘセンサにおける処理室の形成方法を示す説明図。
【図４】同じく別の説明図。
【図５】本発明のガスセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたガスセンサシステムの電気構成の一例を示すブロック図。
【図６】その要部を詳細に示す回路図。
【図７】ヒータ制御回路のいくつかの例を示す回路図。
【図８】本発明のＮＯｘセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたＮＯｘセンサシステムの外観を示す斜視図。
【図９】データ記憶部に格納されたＩp1、Ｉp2及びＮＯｘ濃度の関係を与える２次元テーブルの概念図。
【図１０】酸素濃度検出素子の内部抵抗測定時の回路作動系統を示すブロック図。
【図１１】酸素濃度検出素子の内部抵抗測定時の各スイッチの作動タイミング図。
【図１２】素子温度と酸素濃度検出素子の内部抵抗との関係の一例を示すグラフ、及び酸素濃度検出素子の内部抵抗と素子温度の関係を示すマップの概念図。
【図１３】エンジン急加速あるいは急減速に伴うポンプ電流変化の測定例を示すプロファイル、及び素子温度と補正ポンプ電流値との関係の一例を示すグラフ。
【図１４】図５の装置におけるマイクロプロセッサ側の制御の流れを示すフローチャート。
【図１５】そのセンサ活性化処理の詳細を示すフローチャート。
【図１６】同じく内部抵抗測定処理の詳細を示すフローチャート。
【図１７】図５のシステムにおけるマイクロプロセッサ側の別の制御態様の流れを示すフローチャート。
【図１８】ＮＯｘ濃度を決定する別法において使用される、マイクロプロセッサのＲＯＭ及びデータ記憶部の記憶内容を示す説明図。
【図１９】上記別法におけるＮＯｘ濃度の検出手順を示す説明図。
【図２０】その処理の流れを示すフローチャート。
【図２１】ＮＯｘセンサ用制御回路ユニットの第一の変形例を示すブロック図。
【図２２】同じく第二の変形例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）
２ 第一ヒータ（加熱素子）
３ 第一ポンプ素子
４ 酸素濃度検出素子
５ 第二ポンプ素子
８ 第二ヒータ（加熱素子）
９ 第一処理室
１０ 第二処理室
１１ 第一の気体流通部（拡散律速部）
１２ 隔壁
１３ 第二の気体流通部（拡散律速部）
１４ 酸素基準電極
１５，１７，１８，１９，２０ 電極
３０ 窒素酸化物センサユニット
３１ 窒素酸化物センサ用制御回路ユニット
５２ マイクロプロセッサ
５３ ＣＰＵ（酸素濃度情報生成手段、窒素酸化物濃度情報生成手段）
５４ ＲＯＭ
５５ ＲＡＭ
５６ 第一ポンプ素子制御回路
５７ 第二ポンプ素子制御回路
５８ 基準用定電流電源回路
６０ 内部抵抗測定制御回路
６４，６５ Ａ／Ｄ変換回路
６６ データ記憶部
６７ Ｄ／Ａ変換回路
６９ 表示装置
７２ ヒータ制御回路（発熱制御回路）
７７，７８ 定電流電源回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、ガスセンサ用制御回路ユニット及びそれを用いたガスセンサシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも記す）濃度測定装置として、例えば、ヨーロッパ特許出願公開明細書０６７８７４０Ａ１，ＳＡＥ ｐａｐｅｒ Ｎｏ．９６０３３４ Ｐ１３７〜１４２ １９９６等に開示されているように、下記のようなＮＯｘセンサを用いて、内燃機関等の排気中のＮＯｘの濃度を検出するようにしたものが知られている。該ＮＯｘセンサにおいては、第一拡散律速部を介して被測定ガス側に連通された第一処理室と、この第一処理室に第二拡散律速部を介して連通された第二処理室とが、酸素イオン伝導性の固体電解質層にて形成される。第一処理室には、固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第一ポンプ素子と酸素濃度測定セルとが形成される。さらに、第二処理室には、同じく固体電解質層を多孔質の電極で挟むことにより第二ポンプ素子を形成される。
【０００３】
この種のＮＯｘ濃度測定装置においては、酸素濃度測定セルからの出力電圧が予め設定された一定値となるように第一ポンプ素子に電流を流し、それによって第一処理室内の酸素濃度を一定濃度に制御する一方、第二ポンプ素子に一定電圧を印加して、第二処理室から酸素を汲み出すようにしている。そして、この第二ポンプ素子に流れる電流値から、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【０００４】
つまり、被測定ガスである内燃機関等からの排気中には、ＮＯｘ以外に、酸素、一酸化炭素、二酸化炭素等の他のガス成分が存在するが、上記窒素酸化物濃度測定装置では、第一ポンプ素子により第一処理室内を酸素が極めて少ない低酸素濃度に制御する。さらに、その低酸素濃度に制御された被測定ガスが流入する第二処理室側で、第二ポンプ素子に第二処理室内の酸素を汲み出す方向に一定電圧を印加することにより、第二ポンプ素子を構成する多孔質電極の触媒機能によって、被測定ガス中のＮＯｘを窒素と酸素とに分解させ、第二処理室から酸素を抜き取る。そして、そのとき第二ポンプ素子に流れるポンプ電流を検出することにより、被測定ガス中の他のガス成分に影響されることなく、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出できるようにしている。
【０００５】
他方、この種のＮＯｘ濃度測定装置では、上記検出方法によってＮＯｘ濃度を正確に検出するために、センサを所定の活性温度（例えば８５０℃程度）まで加熱して、各セルを活性化させる必要があることから、センサを加熱するためのヒータが別途設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
例えば、燃料に対する空気の量が多いリーン空燃比で運転される、いわゆるリーンバーンエンジンでは、排気ガス中のＮＯｘ成分が多くなる傾向にある。従って、上記のようなＮＯｘ濃度測定装置は、ＮＯｘ排出を抑制するために、その還元触媒の状態を監視する等の目的で使用されることが多い。具体的には、内燃機関の排気通路に設けられた還元触媒の下流側にＮＯｘセンサを装着してＮＯｘ濃度を測定し、該触媒からのＮＯｘの漏出量を検出する。そして、そのＮＯｘの漏出量が増えてきたところで、内燃機関に供給する燃料混合気の空燃比を、一時的にリッチ空燃比に制御して内燃機関から未燃ガスを排出させ、この未燃ガスと触媒に蓄積されたＮＯｘとを反応させることにより、ＮＯｘの排出量を抑制する等の制御に使用される。
【０００７】
ところで、このようなＮＯｘ制御を実現するには、上記ＮＯｘ濃度測定装置では内燃機関に供給された燃料混合気の空燃比を測定することができないことから、排気中の酸素濃度から空燃比を測定する空燃比測定装置を別途設ける必要がある。つまり、上記のようなＮＯｘ制御を行なう場合には、内燃機関において一般に行なわれている空燃比制御を併せて実行する必要があり、このためには、内燃機関の排気系に、ＮＯｘセンサと酸素濃度センサ（いわゆる空燃比センサ）とをそれぞれ設けなければならない。
【０００８】
本発明の課題は、既存のガスセンサに装着することにより、１つのガスセンサを複数種類のガス成分濃度を検出可能なものとして機能させることができるガスセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたガスセンサシステムとを提供することにある。また、より具体的には、既存のＮＯｘセンサに装着するのみで、これにＮＯｘセンサとしての機能のみならず酸素濃度センサとしての機能を簡単に付与することができ、ひいてはＮＯｘ濃度及び酸素濃度（あるいは空燃比）等の検出系の構成を簡単にできるガスセンサ用制御回路ユニット、あるいはそれを用いたガスセンサシステムとを提供することを課題とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明のガスセンサ用制御回路ユニット（以下、単に制御回路ユニットともいう）の第一は、周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、周囲から区画されるとともに、第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子を備えたガスセンサに接続して使用され、
第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御して、酸素濃度検出素子の出力電圧がほぼ一定となるように第一処理室内の酸素分圧レベルを制御する第一ポンプ素子制御回路と、第二処理室から酸素を汲み出す方向に、第二ポンプ素子に対して一定電圧を印加する第二ポンプ素子制御回路と、加熱素子の発熱を制御する発熱制御回路とを備えたガスセンサの作動制御回路と、
第一ポンプ素子に流れる電流（以下、第一ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第一ポンプ電流検出回路と、第二ポンプ素子に流れる電流（以下、第二ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第二ポンプ電流検出回路とを備えた信号検出回路とを備え、
第一ポンプ電流の検出信号が、被測定ガス中の酸素濃度検出に使用され、第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とが被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用されるとともに、
第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流の変化率を表すゲインの酸素濃度に対する一次関数的な標準特性（以下、標準ゲイン特性という）を含む標準特性情報を記憶した標準特性情報記憶部と、
第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したガスセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報として、ゲインの酸素濃度に対する一次関数的な特性を標準ゲイン特性に一致させるゲイン特性補正データを含む補正情報を記憶した補正情報記憶部と、
マイクロプロセッサにより機能実現され、第一ポンプ電流と第二ポンプ電流との各信号を検出し、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を、第二ポンプ電流の値をゲイン特性補正データに基づいてゲイン補正する形で補正するとともに、それら検出値と標準特性情報とを用いて被測定ガス中の窒素酸化物濃度の情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段と、を備えたことを特徴とする。
上記本発明のガスセンサ用制御回路ユニットは、標準特性情報記憶部は、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第二ポンプ電流の特性をオフセット特性として、該オフセット特性の標準特性 ( 以下、標準オフセット特性という）を含むものとして前記標準特性情報を記憶し、
補正情報記憶部は、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したガスセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報として、オフセット電流の酸素濃度に対する特性を標準オフセット特性に一致させるオフセット特性補正データを含むものとして補正情報を記憶し、
窒素酸化物濃度情報生成手段は、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を、第二ポンプ電流の値を前記オフセット特性補正データに基づいてオフセット補正する形で補正するものとして構成することもできる。
上記の構成によれば、既存のガスセンサに装着することにより、１つのガスセンサを複数種類のガス成分濃度を検出可能なものとして機能させることができるので、必要なセンサの個数を削減することができ、経済的である。回路パラメータは、例えばガスセンサの検出部が発する電気信号あるいはそれに基づいて生成される別の電気信号の、電流値あるいは電圧値等である。
また、上記制御回路ユニットないしガスセンサシステムには、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報（以下、標準特性情報という）を記憶した標準特性情報記憶部と、第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測したＮＯｘセンサの特性を標準的な特性に一致させるための補正情報を記憶した補正情報記憶部とが設けられる。そして、マイクロプロセッサにより機能実現され、第一ポンプ電流と第二ポンプ電流との各信号を検出するとともに、補正情報に基づいて第一ポンプ電流及び第二ポンプ電流の検出値を補正するとともに、それら検出値と標準特性情報とを用いて被測定ガス中の前記窒素酸化物濃度の情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段が設けられる。
この構成によれば、異なるＮＯｘセンサを用いて同じ被測定ガスのＮＯｘ濃度を測定したとしても、各ＮＯｘセンサ毎のバラツキは固有の補正情報によって補正されるため、いずれのＮＯｘセンサによっても同様の測定結果が精度良く得られる。また、各ＮＯｘセンサ毎に第一ポンプ電流の値と、第二ポンプ電流の値と、被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性を記憶しているのではなく、標準的な特性の他には補正データを記憶しているのみなので、記憶容量が小さくて済む。
また、本発明のガスセンサシステムは、上記ガスセンサと、これに接続される上記ガスセンサ用制御回路ユニットとを備えたことを特徴とする。
【００１０】
具体的には、上記のガスセンサ用制御回路ユニットは下記の構成のＮＯｘセンサに接続して使用されるものとすることができる。すなわち、該ＮＯｘセンサは、
周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、
周囲から区画されるとともに、第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、
第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子とを備える。
【００１１】
上記のようなＮＯｘセンサに接続して使用される本発明のガスセンサ用制御回路ユニットは、
第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御して、酸素濃度検出素子の出力電圧がほぼ一定となるように第一処理室内の酸素分圧レベルを制御する第一ポンプ素子制御回路と、
第一ポンプ素子に流れる電流（第一ポンプ電流）を検出し、その検出信号を出力する第一ポンプ電流検出回路と、
第二処理室から酸素を汲み出す方向に、第二ポンプ素子に対して一定電圧を印加する第二ポンプ素子制御回路と、
第二ポンプ素子に流れる電流（第二ポンプ電流）を検出し、その検出信号を出力する第二ポンプ電流検出回路と、
加熱素子の発熱を制御する発熱制御回路とを備え、
第一ポンプ電流の検出信号が、被測定ガス中の酸素濃度検出に使用され、第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とが被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用されることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、第一ポンプ電流検出回路と第二ポンプ電流検出回路とを備えることで、その第一ポンプ電流の検出信号を被測定ガス中の酸素濃度検出に使用でき、かつ第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とを被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用できる。従って、既存のＮＯｘセンサに装着するのみで、これにＮＯｘセンサのみならず酸素濃度センサとしての機能を簡単に付与することができ、ひいてはＮＯｘ濃度及び酸素濃度（空燃比）の検出系の構成を簡単にできる。
【００１３】
他方、本発明者らの検討によれば、ＮＯｘセンサにおいて一般に、第一処理室に導入される被測定ガス中の酸素濃度が変動すると、第二ポンプ電流のＮＯｘ濃度依存性が影響を受け、従来のように第二ポンプ電流の値のみでは、正確なＮＯｘ濃度の検出ができないことが判明している。本発明のガスセンサ用制御回路ユニットあるいはガスセンサシステムでは、被測定ガス中の酸素濃度を反映した第一ポンプ電流の検出信号と、第二ポンプ電流の検出信号との双方に基づいてＮＯｘ濃度を検出するようにしているので、より精度の高い測定が可能となっている。
【００１４】
この場合、第一ポンプ素子制御回路は、第一処理室から第二気体流通部を通って第二処理室に導かれる気体中の酸素濃度をほぼ一定となるように、第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御するものと見ることもできる。
【００１５】
上記制御回路ユニットには、第一ポンプ素子制御回路と、第一ポンプ電流検出回路と、第二ポンプ素子制御回路と、第二ポンプ電流検出回路とを互いに一体的に組み付ける組付け手段を設けることができる。これにより、ユニット全体がコンパクト化され、ＮＯｘセンサへの取付けも容易となる。
【００１６】
また、該制御回路ユニットには、第一ポンプ素子、酸素濃度検出素子及び第二ポンプ素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくように、発熱制御回路に対し加熱素子の発熱制御を指令する発熱制御指令手段として少なくとも機能するマイクロプロセッサを設けることができる。これにより、ＮＯｘセンサに該制御回路ユニットを装着するだけで、各素子の温度制御を行うことが可能となり、かつ発熱制御指令手段も含めたユニット全体の構成を一層コンパクトなものとすることができる。
【００１７】
さらに、上記制御回路ユニットには、第一ポンプ電流検出回路による第一ポンプ電流検出信号と、第二ポンプ電流検出回路による第二ポンプ電流検出信号とを、それぞれデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路を設けることができる。これにより、第一ポンプ電流検出信号と第二ポンプ電流検出信号とをマイクロプロセッサ等によりデジタル処理したい場合に、ユニットから直接デジタル出力を取り出すことができるので便利である。
【００１８】
そして、前述のマイクロプロセッサを搭載する場合には、該マイクロプロセッサを、Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル変換された第一ポンプ電流検出信号に基づいて、被測定ガス中の酸素濃度情報を生成する酸素濃度情報生成手段として機能させ、同じく第一ポンプ電流の検出信号と第二ポンプ電流の検出信号とに基づいて被測定ガス中の窒素酸化物濃度情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段として機能させることができる。これにより、制御回路ユニットから、酸素濃度情報と窒素酸化物濃度情報とを取り出すことも可能となる。
【００１９】
他方、上記マイクロプロセッサが出力するデジタル信号のうち、酸素濃度情報、窒素酸化物濃度情報、酸素濃度情報に基づいて生成される空燃比情報、及び酸素濃度情報に基づいて生成される過剰酸素率情報の、少なくともいずれかに関するデジタル信号をアナログ変換し、これを対応するアナログ信号として出力するＤ／Ａ変換回路を設けることもできる。これにより、上記各情報をアナログ出力の形で取り出すことが可能となり、自動車エンジンをはじめとする内燃機関等の制御信号としても活用しやすくなる。また、上記デジタル信号に基づいて、被測定ガスの酸素濃度、窒素酸化物濃度、空燃比及び過剰酸素率の少なくともいずれかを表示する表示装置を設けることもできる。これにより、各情報の内容を視覚的に把握することが可能となる。
【００２０】
また、接続対象となるＮＯｘセンサが、第一ポンプ素子と、酸素濃度検出素子と、第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子との少なくともいずれかのものの温度を検出する温度検出部とを備えたものである場合、上記マイクロプロセッサは、温度検出部にて検出される温度の情報と第一ポンプ電流検出信号及び第二ポンプ電流検出信号とに基づいて、温度補正された酸素濃度及び窒素酸化物濃度の各情報（以下、これらを総称して被検出成分濃度情報という）を生成する被検出成分濃度情報温度補正手段として機能するものとすることができる。
【００２１】
これにより、例えば酸素濃度検出素子の温度が、排気ガス温度の急変等により一時的に変化することがあっても、温度補正された形で被検出成分の濃度情報が生成されるので、該被検出成分の検出精度を良好に維持することができる。この場合、酸素濃度検出素子の温度は、サーミスタや熱電対など、別途設けられた温度センサを用いて測定してもよいが、各素子を構成する固体電解質の内部抵抗の値が温度によって変化するので、これを利用して温度を測定するようにすれば温度センサを設ける必要がなくなり、ひいては測定系の構成を単純化できる利点がある。この場合、上記制御ユニットには、酸素濃度検出素子を温度検出部として、その内部抵抗を測定するための内部抵抗測定制御回路を設ければよい。また、マイクロプロセッサを設ける場合には、そのマイクロプロセッサにより機能実現される発熱制御指令手段は、内部抵抗の測定結果に基づいて、第一ポンプ素子、酸素濃度検出素子及び第二ポンプ素子の各温度が予め定められた温度目標値に近づくように、発熱制御回路に対し加熱素子の発熱制御を指令するものとすることができる。
【００２２】
上記内部抵抗測定制御回路には、酸素濃度検出素子に対し一定の内部抵抗検出電流を通電する内部抵抗検出電流通電回路を設けることができる。これによれば、定電流通電時の印加電圧から酸素濃度検出素子の内部抵抗を簡単に測定することができる。この場合、上記マイクロプロセッサは、該内部抵抗検出電流を通電したときに酸素濃度検出素子に印加される電圧（以下、抵抗検出電圧という）を、酸素濃度検出素子の内部抵抗情報として検出する内部抵抗情報検出手段として機能するものとすることができる。
【００２３】
内部抵抗測定制御回路は、酸素濃度検出素子に対し内部抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素濃度検出素子に対し、内部抵抗検出電流とは逆方向の修正電流を通電する修正電流通電回路を備えるものとして構成することができる。酸素濃度検出素子に内部抵抗測定用電流を通電すると、酸素濃度検出素子内においてその通電と逆方向に酸素が輸送され、酸素濃度検出素子両側の酸素濃度に変化を生ずる。その結果、ＮＯｘセンサが被検出成分濃度の測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が被検出成分濃度の測定精度に対する誤差の要因ともなりうる。また、酸素濃度検出素子の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃度検出素子内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電に伴い分極を生ずることもある。そこで、修正電流通電手段により、酸素濃度検出素子に対し内部抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素濃度検出素子に対し、内部抵抗検出電流と逆方向に修正電流を通電するようにすれば、その通電により上記とは逆向きに酸素が輸送されるので、変化した酸素濃度が内部抵抗測定前の状態に近づき、復帰後の被検出成分濃度の測定精度が高められるとともに、酸素濃度検出素子の分極状態も解消することができる。この場合、修正電流の大きさ及び通電時間は、内部抵抗検出電流通電時に輸送されると考えられる酸素量とほぼ同量の酸素が、該修正電流の通電により逆輸送されるように設定するのがよく、例えば内部抵抗検出電流とほぼ大きさが同じ電流を、該内部抵抗検出電流とほぼ同時間通電するのがよい。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に示す実施例を参照して説明する。
図１は、ガスセンサの一例としての窒素酸化物センサ（以下、ＮＯｘセンサという）１を示している。すなわち、ＮＯｘセンサ１は、それぞれ横長板状に形成された第一ヒータ２、第一ポンプ素子３、酸素濃度検出素子４、第二ポンプ素子５及び第二ヒータ８がこの順序で積層され一体化されたものとして構成されている。また、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間には第一処理室９が、酸素濃度検出素子４と第二ポンプ素子５との間には第二処理室１０が形成されている。
【００２７】
各素子３〜５は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質により構成されている。そのような固体電解質としては、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２が代表的なものであるが、それ以外のアルカリ土類金属ないし希土類金属の酸化物とＺｒＯ２との固溶体を使用してもよい。また、ベースとなるＺｒＯ２にはＨｆＯ２が含有されていてもよい。本実施例では、Ｙ２Ｏ３ないしＣａＯを固溶させたＺｒＯ２固体電解質セラミックが使用されているものとする。一方、第一及び第二ヒータ２，８は、公知のセラミックヒータで構成されており、各素子３〜５を所定の作動温度、例えば７５０〜８５０℃、望ましくは７８０〜８３０℃（例えば８００℃）に加熱する役割を果たす。この加熱温度は、ヒータ２，８の耐久性向上のため、従来のＮＯｘセンサよりはやや低めに設定されている。
【００２８】
各素子３〜５の境界部分には、Ａｌ２Ｏ３等を主体とした絶縁層（図３に示す絶縁層２６０等：図１では示さず）が介挿されている。このような積層一体化されたセンサの構造は、上記各素子３〜５となるべきセラミックグリーンシート（セラミック成形体）を積層して焼成することにより製造することができる。
【００２９】
第一処理室９の両側壁部分には、該第一処理室９と外部の被測定空間とを連通させる第一気体流通部１１が形成されている。図１（ｂ）に示すように、第一気体流通部１１は、第一処理室９の幅方向両側において第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間にまたがる形態で形成されるとともに、第一処理室９の側縁に沿って第一ポンプ素子３ないし酸素濃度検出素子４の長手方向に延びており、多孔質Ａｌ２Ｏ３焼成体等により連通気孔を有する多孔質セラミック体として構成されている。これにより、該第一気体流通部１１は、外部からの排気ガスを一定の拡散抵抗のもとに第一処理室９内に導く拡散律速部として機能する。
【００３０】
次に、第一処理室９と第二処理室１０とに挟まれた部分は、酸素イオン伝導性固体電解質で構成された隔壁１２となっている。換言すれば、上記２つの処理室９，１０は、該隔壁１２を挟んで隣接して配置されている。そして、この隔壁１２には、第一処理室９と第二処理室１０とを連通させる第二気体流通部１３が形成されており、その厚さ方向中間部には酸素基準電極１４が埋設されている。第二気体流通部１３も、第一気体流通部１１と同様に多孔質セラミック体として構成されており、第一処理室９内の気体を第二処理室１０へ一定の拡散抵抗のもとに導く拡散律速部として機能する。なお、上記拡散律速部は、多孔質セラミック体（あるいは金属体）で形成する代わりに、小孔やスリットで構成してもよい。
【００３１】
他方、隔壁１２の第一処理室９に面する表面には第一電極１５が形成されており、酸素濃度検出素子４の要部は、該第一電極１５と、酸素基準電極１４と、それら電極１５，１４の間に挟まれた隔壁部分１２ａとによって構成されている。一方、第二ポンプ素子５の両面には、それぞれ電極１７，１８が、第一ポンプ素子３の両面には、電極１９，２０がそれぞれ形成されている。なお、電極１５，１４は、酸素濃度検出素子４の長手方向において互いにずれた位置関係で形成されている。
【００３２】
上記各電極１４，１５，１７〜２０はいずれも、各素子３〜５を構成する固体電解質へ酸素を注入するための酸素分子の解離反応、及び該固体電解質から酸素を放出させるための酸素の再結合反応に対する可逆的な触媒機能（酸素解離触媒機能）を有する多孔質電極（例えばＰｔ多孔質電極）として構成されている。このような多孔質電極は、例えば上記金属ないし合金の粉末と、下地となる固体電解質セラミックとの密着強度を向上させるために該下地と同材質の固体電解質セラミック粉末を適量配合してペーストを作り、これを用いて下地となるべきセラミックグリーンシート上に電極パターンを印刷形成して、一体焼成することにより形成される。
【００３３】
なお、図１に示すように、各素子３〜５の各電極１４，１５，１７〜２０からは、素子の長手方向に沿ってＮＯｘセンサ１の取付基端側に向けて延びる電極リード部１４ａ，１５ａ，１７ａ〜２０ａ（図１では１４ａ，１５ａ，２０ａのみ表れている）がそれぞれ一体に形成されており、該基端側において各素子３〜５には接続端子１４ｂ，１５ｂ，１７ｂ〜２０ｂの一端が埋設されている。そして、図２に示すように、各接続端子（２０ｂ）は、金属ペーストの焼結体として素子の厚さ方向に形成された導通部（２０ｃ）により、電極リード部（２０ａ）の末端に対して電気的に接続されている（図では、電極リード部２０ａの場合について代表させて示している）。
【００３４】
また、図１に示すように、酸素基準電極１４は第二気体流通部１３と干渉しない位置に形成されている。これにより、ＮＯｘ濃度の検出出力をより安定化させることができる。一方、酸素濃度検出素子４の第一電極１５は、第二気体流通部１３と重なりを有する位置に形成され、該第二気体流通部１３に対応する位置には、気体の流通を確保するために貫通穴１５ｈが形成されている。
【００３５】
次に、第一処理室９及び第二処理室１０には、図３（ｂ）に示すように、焼成時の処理室空間の潰れを防止する支柱部２１０が、散点状あるいは千鳥状に形成されている。このような構造の製造方法を第一処理室９を例にとって説明する。すなわち、図３（ａ）に示すように、第一ポンプ素子３となるべきセラミックグリーンシート２２０と、同じく酸素濃度検出素子４となるべきセラミックグリーンシート２３０との各々の対向面において第一処理室９に予定された領域に、セラミック粉末ペースト（例えば多孔質Ａｌ２Ｏ３粉末ペースト）を用いて、支柱部２１０となるべき支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂを形成する。また、その支柱部パターン２６６ａ及び２６６ｂと重なりを生じない位置において同じく該第一処理室９に予定された領域に、焼成時に燃焼ないし分解する材質の粉末ペースト（例えばカーボンペースト）により補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂを形成する。さらに、上記第一処理室９に予定された領域を除く他の領域には、絶縁層パターンとしての貼合わせコート２６９がＡｌ２Ｏ３粉末ペースト等により支柱部パターン２１０の高さよりも小さい厚さで形成される。また、図示はしていないが、第一処理室９となるべき領域の両側には、多孔質Ａｌ２Ｏ３焼成体による第一気体流通部１１（図１）を形成するための連通部パターンが多孔質Ａｌ２Ｏ３粉末ペーストにより形成される。
【００３６】
これを焼成することにより、図３（ｂ）に示すように、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との間においては、補助支持パターン２６７ａ及び２６７ｂが消失するとともに、上記支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂが焼成により一体化して支柱部２１０が形成される。また、この支柱部２１０により大きさが規定された形で第一処理室９が形成され、その幅方向両側には図１（ｂ）に示すような多孔質セラミック体による第一気体流通部１１が形成される。一方、第一処理室９を除く他の領域においてそれら酸素濃度検出素子４と第一ポンプ素子３とは、貼合わせコート２６９に基づく絶縁層２６０を介して互いに接合される。
【００３７】
ここで、図４に示すように、支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂと、補助支持パターン２６７ａ，２６７ｂとは平面をほぼ埋め尽くすように相補的に形成され、例えば図３（ａ）のグリーンシート２２０及び２３０を互いに積層した際に、補助支持パターン２６７ａ，２６７ｂによる補強効果に基づき、支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂが両者の間で潰れることが防止ないし抑制される。また、グリーンシート２２０及び２３０は柔軟であり、図３（ａ）に誇張して示すように、貼合わせコート２６９が支柱部パターン２６６ａ，２６６ｂの合計厚さよりもかなり薄く形成されていたとしても、グリーンシート２２０及び２３０が少し橈むことで、両者は貼合わせコート２６９を介して密着でき、焼成により支障なく一体化することができる。
【００３８】
図５は、ＮＯｘセンサ１を用いた本発明のガスセンサシステム（以下、単にセンサシステムという）の一例の電気的構成を示すブロック図である。すなわち、該センサシステム３０は、上記ＮＯｘセンサ１と、該ＮＯｘセンサ１に接続された本発明の一実施例たるＮＯｘセンサ用制御回路ユニット（以下、単に制御回路ユニットという）３１とによって構成されている。制御回路ユニット３１は、マイクロプロセッサ５２と、ＮＯｘセンサ１とマイクロプロセッサ５２とを接続する周辺回路５１とから構成されている。マイクロプロセッサ５２は、出入力インターフェースとしてのＩ／Ｏポート５２ａと、これに接続されたＣＰＵ５３、ＲＡＭ５５、ＲＯＭ５４等により構成されている。ＣＰＵ５３は、ＲＡＭ５５をワークエリアとしてＲＯＭ５４に格納された制御プログラムにより、酸素濃度情報生成手段及び窒素酸化物濃度情報生成手段として機能する。
【００３９】
周辺回路５１は、第一ポンプ素子制御回路５６、第二ポンプ素子制御回路５７、基準用定電流電源回路５８、リミッタ回路５９、内部抵抗測定制御回路６０、ヒータ制御回路（発熱制御回路）７２、内部抵抗測定制御回路６０からの検出出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路６４、第一ポンプ素子制御回路５６及び第二ポンプ素子制御回路５７からの検出出力をデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路６５等を含んで構成されている。これらＡ／Ｄ変換回路６４及び６５からのデジタル出力は、Ｉ／Ｏポート５２ａよりマイクロプロセッサ５２に入力される。
【００４０】
また、マイクロプロセッサ５２のＩ／Ｏポート５２ａには、データ記憶部６６、マイクロプロセッサ５２からのデジタル出力信号をアナログ変換するＤ／Ａ変換回路６７が接続されている。Ｄ／Ａ変換回路６７には、そのアナログ変換された出力に基づいて、被検出ガスの窒素酸化物（以下、ＮＯｘとも記す）濃度、酸素（以下、Ｏ２とも記す）濃度、空燃比（以下、Ａ／Ｆとも記す）等の情報を反映したアナログ信号出力を生成する出力回路６８が接続されている。さらに、Ｉ／Ｏポート５２ａには、マイクロプロセッサ５２からのデジタル出力信号に基づいて、ＮＯｘ濃度、Ｏ２濃度、Ａ／Ｆ等の値を表示する（例えば数値表示する）表示装置６９が接続されている。
【００４１】
図６は、周辺回路５１の詳細を示す回路図である。まず、基準用定電流電源回路５８は酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側に接続されており、センサ作動温度における酸素濃度検出素子４の内部抵抗値よりも十分大きい抵抗値（例えば該内部抵抗値の１０００〜５０００倍程度）を有する抵抗器９０を介して、該酸素濃度検出素子４に対し電源電圧AVccを印加するようになっている。これにより、酸素濃度検出素子４には第一処理室９側から該酸素基準電極１４側に酸素が汲み込まれる方向に、ほぼ一定の微小電流Ｉ0が印加され、多孔質の酸素基準電極１４内をほぼ１００％に近い酸素濃度の基準ガスで満たす役割を果たす。
【００４２】
第一ポンプ素子制御回路５６は、ポンプ電流制御部６２とＰＩＤ制御部６３とを含み、ＰＩＤ制御部６３の入力側は、内部抵抗測定制御回路６０と基準用定電流電源回路５８とを介して、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４（正極側）に接続されている。他方、ＰＩＤ制御部６３の出力側は、ポンプ電流制御部６２のオペアンプ１０２と、リミッタ回路５９とを介して第一ポンプ素子３の外側の電極２０（正極側）に接続されている。さらに、第一ポンプ素子３と酸素濃度検出素子４との第一処理室９に面する各電極１９及び１５は配線７０によりＰＩＤ制御部６３の出力側に共通結線されている。
【００４３】
ＰＩＤ制御部６３は、要部が２つのオペアンプ１０４，１０５と周辺の抵抗器及びコンデンサから構成される。このうち前段のオペアンプ１０４は抵抗器１０４ａ及びコンデンサ１０４ｂとともに、ローパスフィルタ機能を備えた反転増幅器として機能する。その正側には基準電圧Ｖr1（例えば２．５Ｖ）が入力され、負側には酸素基準電極１４に接続される。この負側の入力電圧は、酸素濃度検出素子４の出力電圧となるが、該出力電圧は酸素基準電極１４側の酸素濃度と第一処理室９側の酸素濃度との差に基づいて、酸素濃度検出素子４に生ずる濃淡電池起電力が主体になるものである。
【００４４】
ここで、上記負側入力は、バイアス電圧Ｖr2によりバイアスされている。該バイアス電圧Ｖr2は、酸素濃度検出素子４の出力電圧Ｖemfの目標値Ｖemf0を、上記基準電圧Ｖr1から差し引いた値（すなわちＶr1−Ｖemf0）として設定されている。従って、オペアンプ１０４は、ＶemfとＶemf0との差Ｖemf−Ｖemf0を反転差動増幅して出力する形となる。なお、基準電圧Ｖr1とバイアス電圧Ｖr2とは、電源電圧AVcc（本実施例では例えば８Ｖ）を抵抗器１０４ｇ，１０４ｈあるいは１０４ｉ，１０４ｊにより分圧調整して作られている。
【００４５】
次に、２段目のオペアンプ１０５は、周辺の抵抗器あるいはコンデンサ１０５ａ〜１０５ｆとともにＰＩＤ動作部を形成し、オペアンプ１０４からの入力電圧と基準電圧Ｖr1との差分に応じたＰＩＤ動作を行う。ここで、抵抗器１０５ｅ，１０５ｂはその比例項を、抵抗器１０５ｆとコンデンサ１０５ａは積分項を、抵抗器１０５ｅとコンデンサ１０５ｄは微分項をそれぞれ形成するためのものである。なお、コンデンサ１０５ｃは、該ＰＩＤ動作部にローパスフィルタ機能を付与するためのものである。
【００４６】
該ＰＩＤ動作部の出力は、ポンプ電流制御部６２の要部をなす電流制御用のオペアンプ１０２に入力される。このオペアンプ１０２は単電源型のものであり、ＰＩＤ動作部からの入力電圧Ｖkと基準電圧Ｖr1との差分に応じて、その出力を０から最大値（本実施例では電源電圧AVcc）までの範囲で変化させ、第一ポンプ素子３に対し第一処理室９から酸素を汲み出す向きのポンプ電圧（通電電圧）Ｖpを印加する。これにより、第一処理室９内の酸素分圧は、酸素濃度検出素子４の出力電圧（自身に生ずる酸素濃淡電池起電力に基づき、第二気体流通部１３を通って第二処理室１０に導かれる気体中の酸素濃度を反映したものとなる）がＰＩＤ制御されつつ上記目標値Ｖemf0に維持されるよう、第一ポンプ素子３への通電電流値、すなわち第一ポンプ電流Ｉp1’が制御されることとなる。
【００４７】
ここで、リミッタ回路５９は、第一ポンプ素子３に過剰なポンプ電圧Ｖpが印加されないよう、その上限値を制限する役割を果たす。このようなリミッタ回路５９の機能は各種回路構成にて実現できるが、本実施例では、次のような回路構成を採用している。すなわち、該回路の要部をなすのは、電圧制御点ＰCにそれぞれダイオード５９ｆ，５９ｇを介して接続された２個のボルテージフォロワ用のオペアンプ５９ｄ，５９ｅであり、各々上限電圧Ｖmax（本実施例では例えば６Ｖ）と下限電圧Ｖmin（本実施例では例えば２Ｖ）とを出力側にて保持するように作動する。なお、ＶmaxとＶminとは、電源電圧AVccを抵抗器５９ａ〜５９ｃにより分圧調整する形で作られている。そして、制御点ＰCの電圧がＶmaxを超えようとした場合はダイオード５９ｆが導通してオペアンプ５９ｄの出力電圧と平衡し、その値がＶmaxに維持される。他方、Ｖminを下回ろうとした場合は、ダイオード５９ｇがオペアンプ５９ｅの出力電圧と平衡し、その値がＶminに維持される。
【００４８】
ポンプ電流制御部６２においては、例えばＰＩＤ作動部の出力経路上に電流検出用抵抗器１０１が設けられている。この抵抗器１０１は、第一ポンプ電流検出回路の主体をなすものであり、その両端電圧の差が第一ポンプ電流Ｉp1’（ただし、後述の第二ポンプ電流Ｉp2が重畳されている）の検出信号として、周辺の抵抗器１０３ａ〜１０３ｄとともに差動増幅器を構成するオペアンプ１０３により電圧信号の形で取り出され、さらにＡ／Ｄ変換回路６５でデジタル化されて、図５のマイクロプロセッサ５２に入力される。ただし、電流検出用抵抗器１０１の両端電圧を個別にＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサ５２に入力し、マイクロプロセッサ５２の内部処理によりその差分を演算して電流値検出を行ってもよい。
【００４９】
次に、第二ポンプ素子制御回路５７は、第二ポンプ素子５に対して、第二処理室１０から酸素を汲み出す方向の一定の第二ポンプ電圧Ｖp2を印加するためのものであり、印加電圧発生部７５と第二ポンプ電流検出回路７６とを備える。印加電圧発生部７５は、電源電圧AVccを分圧調整することにより所期の印加電圧を発生させる抵抗器７５ａ，７５ｂと、ボルテージフォロワ用のオペアンプ１０６とを含み、該オペアンプ１０６の出力側電圧が印加すべきポンプ電圧Ｖp2に維持される。また、第二ポンプ電流検出回路７６は、例えば第二ポンプ電圧Ｖp2の入力経路上に設けられた電流検出用抵抗器１０７を主体に構成される。該抵抗器１０７の両端電圧の差が第二ポンプ電流Ｉp2の検出信号として、周辺の抵抗器１０８ａ〜１０８ｄとともに差動増幅器を構成するオペアンプ１０８により電圧信号の形で取り出され、さらにＡ／Ｄ変換回路６５でデジタル化されて、図５のマイクロプロセッサ５２に入力される。ただし、この場合も電流検出用抵抗器１０７の両端電圧を、個別にＡ／Ｄ変換してマイクロプロセッサ５２に入力するようにしてもよい。
【００５０】
ここで、酸素濃度検出素子４の出力電圧の目標値Ｖemf0は、例えば３００〜５００ｍＶ（本実施例では、例えば３５０ｍＶ）の範囲で調整される。これは、ネルンストの式に基づいて算出される酸素分圧値に換算して１０−１０〜１０−６ａｔｍ（本実例ではおおむね１０−７ａｔｍ）の範囲に対応するものである。このことは、酸素濃度検出素子４が検出する第一処理室９内の酸素分圧、換言すれば、少なくとも第二気体流通部１３を通って第二処理室１０に導かれる気体中の酸素分圧が上記範囲で調整されることを意味する。
【００５１】
上記酸素分圧が１０−１０ａｔｍ未満（あるいは出力電圧目標値Ｖemf0が５００ｍＶ以上）になると、第一処理室９内において被測定ガス中のＮＯｘの分解が進み過ぎ、該ＮＯｘの検出精度が低下する場合がある。他方、上記酸素分圧が１０−６ａｔｍを超えると、第二処理室１０に導かれるガス中に残留する酸素濃度が高くなり過ぎ、後述する第二ポンプ素子５のオフセット電流値が過剰に大きくなって、ＮＯｘの検出精度が低下する場合がある。他方、本発明者らの検討によれば、第一処理室９内の酸素分圧は、導入される被測定ガス中のＮＯｘがある程度分解を起こすレベルに設定されることが、センサの温度変化や被測定ガス中の酸素濃度変化に対するＮＯｘの検出出力の安定性を確保する上で重要であることが判明している。従って、上記酸素分圧が１０−６ａｔｍを超えると、ＮＯｘの分解がほとんど生じなくなり、ＮＯｘの検出出力の安定性を確保できない場合がある。
【００５２】
次に、内部抵抗測定制御回路６０は、例えばＣＭＯＳ−ＩＣ等で構成された両極性型アナログスイッチ回路７９を含み、そのスイッチＳｗ1が、例えば酸素基準電極１４から第一ポンプ素子制御回路５６に向かう経路上に配置されている。さらに、アナログスイッチ回路７９と第一ポンプ素子制御回路５６との間にはサンプルアンドホールド回路（以下、Ｓ＆Ｈ回路と記す）１２０が設けられている。他方、アナログスイッチ回路７９のＳｗ2及びＳｗ3には、電流値ＩCで極性が互いに異なる定電流電源回路７７，７８がそれぞれ接続されている。また、Ｓ＆Ｈ回路１２０を経て出力される後述の内部抵抗検出信号ΔＶSは、Ａ／Ｄ変換回路６４でデジタル変換されてマイクロプロセッサ５２に入力されるようになっている。
【００５３】
なお、第一ポンプ電流制御回路５６、第二ポンプ電流制御回路５７、及びアナログスイッチ回路７９の各スイッチＳｗ1〜Ｓｗ3は、マイクロプロセッサ５２からの制御信号を受けてオン・オフする（図１０参照）。
【００５４】
図７は、ヒータ制御回路７２の例を示すものである。同図（ａ）のヒータ制御回路７２では、マイクロプロセッサ５２から与えられるヒータ制御値をアナログ変換するＤ／Ａ変換回路８０と、これに接続されたトランジスタ８２とを備え、このトランジスタ８２にヒータ２及び８が接続されている。トランジスタ８２は能動領域で作動し、与えられるヒータ制御値に応じてヒータ２，８の通電電流を増加させる。
【００５５】
一方、同図（ｂ）は、ＰＷＭ（pulse width modulation）制御方式を採用したヒータ制御回路７２の例を示すものである。この回路７２の主体をなすのはＰＷＭ制御回路８５であり、マイクロプロセッサ５２から与えられるヒータ制御電圧値をアナログ変換するＤ／Ａ変換器８６と、三角波（あるいはのこぎり波）発生回路８７と、それらＤ／Ａ変換器８６及び三角波発生回路８７からの出力がそれぞれ入力されるオペアンプ８８とを含んで構成されている。オペアンプ８８は単電源型のもので、ヒータ制御電圧値と三角波入力値との大小関係に応じてゼロ及びゼロでない所定電圧Ｖのいずれかを出力するコンパレータとして作動する。この場合、そのコンパレータ出力のデューティ比がヒータ制御電圧値に応じて変化する形となり、ヒータ２，８の発熱が調整される。
【００５６】
さて、図５において、第一ポンプ素子制御回路５６、第二ポンプ素子制御回路５７、基準用定電流電源回路５８、リミッタ回路５９、内部抵抗測定制御回路６０、ヒータ制御回路７２、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５、マイクロプロセッサ５２、Ｄ／Ａ変換回路６７、出力回路６８等は回路基板３２に組みつけられ、互いに一体化されている。そして、図８に示すように、この基板３２がケース３１ａに収容され、制御回路ユニット３１を構成している。該制御回路ユニット３１は、ケーブル８９とコネクタ９０とを介してＮＯｘセンサ１に着脱可能に装着される。
【００５７】
図５に戻り、データ記憶部６６は、マイクロプロセッサ５２に着脱可能に装着される半導体メモリデバイスとして構成されている（以下、半導体メモリデバイス６６とも記す）。本実施例では、図８に示すように、該データ記憶部として、ＥＰＲＯＭとして構成されたほぼボタン状の半導体メモリデバイス（例えば、ダラス・セミコンダクター・コーポレーション製の商品名タッチメモリボタン（ＤＳ１９９５））６６が使用されている。この半導体メモリデバイス６６は、直径２ｃｍ足らずの小型のものであり、ほぼ菱形のマウント６６ａ（同社製の商品名タッチメモリマウントブロダクツ（ＤＳ９０９３ｘ））にはめ込まれ、このマウント６６ａがケース３１ａの外面にビス止めされる。
【００５８】
以下、上記ＮＯｘセンサシステム３０の作動について説明する。概略は以下の通りである。まず、図６において、アナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1をオンとし、同じくスイッチＳｗ2，Ｓｗ3をオフとして、第一ポンプ素子制御回路５６と第二ポンプ素子制御回路５７とを作動させる（これらは図５に示すように、マイクロプロセッサ５２からの作動指令信号を受けて作動する）。被測定ガスは第一気体流通部１１を介して第一処理室９内に導入され、そこで第一ポンプ素子３の作動により酸素が汲み出されて、酸素濃度検出素子４の出力電圧が一定の目標値Ｖemf0が維持されるようにその酸素濃度が調整される。このときの第一ポンプ電流値Ｉp1’の検出信号はＡ／Ｄ変換回路６４を介してマイクロプロセッサ５２に入力される。
【００５９】
酸素濃度調整後の被測定ガスは第二気体流通部１３を介して第二処理室１０に流入する。このとき第二ポンプ素子５に流れる第二ポンプ電流Ｉp2は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じて変化する。しかしながら、第二ポンプ電流Ｉp2の値とＮＯｘ濃度との関係は、被測定ガス中にもともと含有されている酸素濃度レベルによって変化するため、その酸素濃度レベルと第二ポンプ電流Ｉp2との両方の値を特定することにより、ＮＯｘ濃度を知ることができる。
【００６０】
この場合、第一ポンプ電流値Ｉp1’は被測定ガス中の酸素濃度に応じて変化するため、この第一ポンプ電流値Ｉp1’の値に基づいて該酸素濃度を知ることができる。ただし、図６の回路構成では、電流検出抵抗器１０１が検出する上記電流値Ｉp1’は、前述の通り第一ポンプ素子３を流れる真の電流値Ｉp1に対し、第二ポンプ電流値Ｉp2が重畳されたものであるから、Ｉp1’−Ｉp2（以下、この値をＩp1と記し、これを第一ポンプ電流値と呼ぶ）の値に基づいて酸素濃度を決定することとなる。ただし、一般にはＩp1の電流レベルと比較してＩp2の電流レベルは小さいので、Ｉp2の重畳の影響がほぼ無視できると判断できる場合には、上記Ｉp1’を近似的に第一ポンプ電流値として用いても差しつかえない。
【００６１】
そして、図５のマイクロプロセッサ５２による酸素濃度及びＮＯｘ濃度の決定手順であるが、まず、Ｉp1’とＩp2とからＩp1を求め、データ記憶部６６に記憶されたＩp1と酸素濃度ＣOXとの関係（数値テーブルもしくは数式）を参照して酸素濃度ＣOXの値を決定する。他方、データ記憶部６６に記憶されたＩp1、Ｉp2及びＮＯｘ濃度ＣNXの関係（例えば図９に示すような２次元の数値テーブル２００）を参照してＮＯｘ濃度ＣNXの値を決定する。なお、この２次元の数値テーブル２００は、個々のＮＯｘセンサ毎に実験により定められたものが使用される。
【００６２】
上記決定されたＣOXあるいはＣNXの値は、Ｄ／Ａ変換回路６７及び出力回路６８を経て、酸素濃度及びＮＯｘ濃度のアナログ出力信号として外部に出力される他、デジタル情報の形で表示装置６９（例えば液晶ディスプレイあるいは７セグメントＬＥＤ表示装置等を表示部として含む）に送られ、濃度値が数値等により視覚表示される。なお、マイクロプロセッサ５２にてＩp1の値に基づいてＡ／Ｆや過剰酸素濃度を算出し、これを出力するようにしてもよい。
【００６３】
ところで、ＮＯｘ濃度の検出精度を確保するには、上記各素子３〜５の温度、特に第一処理室９内の酸素濃度を検出する酸素濃度検出素子４の温度を一定に制御する必要があり、このためには、ヒータ制御回路７２から各ヒータ２，８への通電電流量を、酸素濃度検出素子４の温度が目標温度となるように制御する必要がある。そこで、本実施例では、マイクロプロセッサ５２により、図６のアナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1〜Ｓｗ3のオン・オフ状態を切り換えることにより酸素濃度検出素子４の温度をその内部抵抗ＲVSから検出し、この検出した内部抵抗ＲVSが一定値（つまり酸素濃度検出素子４の温度が目標温度）となるように、ヒータ制御回路７２からヒータ２，８への通電量を制卸するようにしている。
【００６４】
以下、この場合の作動について、図１４〜図１６はそのフローチャートを用いて説明する。まず、図１４のＳ１において、ＮＯｘセンサ１の活性化処理を行う。活性化処理の目的は、ヒータ２，８の通電を開始し、各素子３〜５を所定の作動温度に安定化させることにある。そして、素子温度の検出は、酸素濃度検出素子４の内部抵抗を測定し、その内部抵抗値ＲVSが図１２に示すように一定の温度依存性を示すことを利用して行う。
【００６５】
その処理の詳細を図１５に示している。すなわちＳ１０１において、ヒータ制御回路７２に制御値Ｖiとして初期設定値Ｖh0を設定する。このとき、アナログスッチ回路７９のＳｗ1〜Ｓｗ3は全てオフとする。この状態で、Ｓ１０２でヒータ制御回路７２に対し、ヒータ制御電圧値Ｖiの初期設定値Ｖh0を出力することでヒータの通電が開始される。そして、Ｓ１０３において通電開始から一定時間ｔ0が経過したら、温度制御処理に入る。まず、Ｓ１０５で活性化判断カウンタ値Ｎをクリアする。
【００６６】
次いで、Ｓ１０６に進み、内部抵抗測定処理となる。その流れを図１６のフローチャート（ただし、ここでは、ＬFにて示したＳ２０１〜Ｓ２０８の部分のみ）と図１０の回路図を用いて説明する。さらに、図１１に、その処理におけるアナログスイッチ回路７９（図６）のＳｗ1〜Ｓｗ3の作動タイミング図を、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の電圧信号ＶSと対応付けて示している。まず、図１０においてＳ＆Ｈ回路１２０は、アナログスイッチ回路７９のスイッチＳｗ1がオフとなったときに、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の出力電圧ＶSの直前の値をホールドするためのコンデンサ１２１と、ボルテージフォロワとして機能するオペアンプ１２２（以下、ボルテージフォロワ１２２という）と、ボルテージフォロワ１２２の出力電圧と酸素基準電極１４から直接入力される出力電圧ＶSとの差分を増幅するオペアンプ１２３（以下、差動増幅器１２３という）とを含んでいる。
【００６７】
図１６の処理の流れにおいては、まず、Ｓ２０１において、図６のアナログスイッチ回路７９のＳｗ1をオンとする。これにより、酸素濃度検出素子４の酸素基準電極１４側の出力電圧信号ＶSが、ボルテージフォロワとしてのオペアンプ１２２を経て第一ポンプ素子制御回路５６に出力される。このとき、コンデンサ１２１の端子電圧はＶSのレベルに応じて変化する。そして、内部抵抗の測定タイミングが到来すると、Ｓ２０２で、Ｓｗ1をオフとし、代わってＳｗ2をオンとする。すると、コンデンサ１２１によりＳｗ1がオフとなる直前の出力電圧ＶS1がホールドされる。このホールドされた出力電圧信号ＶS1はボルテージフォロワ１２２を経て第一ポンプ素子制御回路５６に供給される。これにより、第一ポンプ素子制御回路５６は、内部抵抗測定のためにＳｗ1がオフとなっている間も、ホールドされた出力電圧ＶS1を受けて作動を継続する形となるので、ＮＯｘセンサ１の第一処理室９内の酸素濃度が大きく変化する不具合を生じない。
【００６８】
他方、Ｓｗ2がオンになると、酸素濃度検出素子４に内部抵抗検出用の定電流ＩCが通電される。ＩCを通電すると、酸素濃度検出素子４の出力電圧ＶSの値は、その内部抵抗に応じた値だけ降下する。この値と、先にホールドされたＶS1の値（すなわち、ＩC通電前の出力電圧）との差分ΔＶSが差動増幅器１２３にて増幅され、Ａ／Ｄ変換回路６４を経てマイクロプロセッサ５２に入力される。そして、定電流ＩCの通電開始から一定時間ｔ1だけ経過後の酸素濃度検出素子４の出力電圧ＶSの値をＶS2として、このときの差動増幅器１２３の出力ΔＶS＝ＶS1−ＶS2（内部抵抗検出信号）を、ＲＡＭ５５の測定値メモリエリアに格納する。そして、内部抵抗ＲVSは、このΔＶSを前述の定電流ＩCの値で割った値として算出され、ＲＡＭ５５の測定値メモリエリアに格納する（Ｓ２０４）。
【００６９】
ここで、定電流ＩCの通電開始から一定時間ｔ1だけ経過後にＶSを測定しているのは次の理由による。すなわち、酸素濃度検出素子４に定電流ＩCを通電すると、酸素濃度検出素子４内においてその通電と逆方向に酸素が輸送され、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度に変化を生ずる。その結果、図１１に示すように、濃淡電池起電力ＥmひいてはＶSの値も電流ＩCの通電継続に伴い変化する。ここで、内部抵抗測定の精度を確保するためには、通電により不可避的に生ずるＶSの変化を常にほぼ一定のものとすることが大切である。そして、内部抵抗測定用電流として一定の電流ＩCが使用されるわけであるから、ＶS測定までの通電時間が常にｔ1となるように制御すれば、それによる酸素輸送量すなわち酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化もほぼ一定となり、濃淡電池起電力ＥmひいてはＶSの変化をほぼ一定とすることができる。
【００７０】
次に、定電流ＩCの通電により、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化が生ずることにより、別の問題として、ＮＯｘセンサ１がＮＯｘ濃度の測定に復帰した際に、その酸素濃度の変化が測定精度に影響を及ぼす場合がある。また、酸素濃度検出素子４の内部抵抗値が高い場合には、酸素濃度検出素子４内の酸素イオンが移動しにくくなって、電流通電に伴い分極を生ずることもある。
【００７１】
この問題を解決するために、本実施例では次のような方式を採用している。すなわち、図１６のＳ２０５〜Ｓ２０８において、ＶSの検出後さらに一定時間ｔ2が経過後にＳｗ2をオフとして定電流ＩCの通電が終了する一方、代わってＳｗ3をオンとすることにより、極性が逆の定電流電源７８（修正電流通電手段）によりＩCとは逆方向で大きさが同じ修正電流ＩAを、ＩCの合計通電時間ｔ1＋ｔ2にほぼ等しい時間ｔ3だけ通電し、その後Ｓｗ3をオフとする（Ｓ２０８）。これにより、酸素濃度検出素子４において上記とは逆向きにほぼ同量の酸素が輸送され、ＩC通電により生じた酸素濃度変化が解消されて、内部抵抗測定前の状態に近づけることができる。なお、酸素濃度検出素子４の内部抵抗測定用の電流ＩCの通電時間を十分短くできる場合など、酸素濃度検出素子４両側の酸素濃度変化に及ぼす影響が小さいと判断できる場合には、図６において、修正電流ＩAを発生するための定電流電源７８を省略することも可能である（なお、これに対応してアナログスイッチ回路７９も、スイッチチャンネル数の少ないものを用いればよい）。
【００７２】
さて、図１５に戻り、前述の通りＲVSの値は酸素濃度検出素子４の素子温度Ｔと一定の関係を有しており、該関係を補正情報としてデータ記憶部６６（図５）に記憶しておけば、ＲVSの値から素子温度Ｔを決定することができる。また、ＲVSの値そのものを温度情報として使用することもできる。本実施例では、各種内部抵抗ＲVSの値と素子温度Ｔの値とを互いに対応付けて示すマップがデータ記憶部６６に記憶されており、このマップを参照して補間法によりＲVSに対応する温度Ｔを求めるようにしている（Ｓ１０７）。なお、算出された内部抵抗ＲVSの値は、ＲＡＭ５５（図５）に格納され、新たな内部抵抗ＲVSの検出・算出が行われた場合は上書き更新される。
【００７３】
この決定された素子温度Ｔが、上限値Ｔmax、下限値Ｔminの設定温度範囲内に入っているか否かがＳ１０８、Ｓ１１０で判断される。素子温度Ｔが上限値Ｔmaxよりも大きくなっている場合は、ヒータ制御電圧値Ｖiが一定の値ΔＶiだけ減少してヒータ２，８の発熱が抑制され、逆に下限値Ｔminを下回っている場合にはヒータ制御電圧値ＶiがΔＶiだけ増加してヒータ２，８の発熱が促進される（Ｓ１０９，Ｓ１１１）。また、Ｔmin≦Ｔ≦ＴmaxであればＶi現状の値が維持され、活性化判断カウンタ値Ｎをインクリメントする（Ｓ１１２，Ｓ１１３）。
【００７４】
そして、活性化判断カウンタ値Ｎの値が、例えば設定値ＮSに到達するまで、上記Ｓ１０６〜Ｓ１１３の処理を一定の時間間隔ｔaで繰返し（Ｓ１１４，Ｓ１１５）、ＮがＮSに到達すれば、素子温度Ｔはほぼ上記設定温度範囲内に維持されたものとみなし、図６においてアナログスイッチ回路７９のＳｗ2をオフ、Ｓｗ1をオンとし所定時間ｔｗだけウォームアップした後、活性化処理が終了する（Ｓ１１６，Ｓ１１７）。
【００７５】
図１４に戻り、活性化処理Ｓ１が終了するとＳ２に進み、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値を検出し、酸素濃度ＣOXとＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する。しかしながら、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値は素子温度Ｔによって変動するから、以下のようにして補正を行う（Ｓ３）。まず、ＲＡＭ５５（図５）に記憶されている酸素濃度検出素子４の内部抵抗値ＲVSの値を読み込んで、対応する温度Ｔを前述のマップ３０１を参照して決定する。そして、ポンプ電流Ｉp1及びＩp2の値に対する各温度毎のポンプ電流補正量ΔＩp1及びΔＩp2は予め実験的に決定しておくことが可能であるから、各ΔＩp1及びΔＩp2の値と素子温度Ｔの値とを互いに対応付けて示すマップをこれに基づいて作成し、これをデータ記憶部６６に記憶しておけば、各ポンプ電流補正量ΔＩpはこのマップを参照して補間法によりに決定することができる。そして、ポンプ電流補正量ΔＩp1及びΔＩp2を実測されたＩp1及びＩp2に加算してこれを補正するとともに、その補正後のポンプ電流値Ｉp1及びＩp2に対応する酸素濃度ＣOXとＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する（Ｓ４）。これら値はＳ５において出力される。以降はＳ２に戻って以降の処理が繰り返される。
【００７６】
次に、素子温度Ｔは、活性化処理の際に設定された後も、前述したものと同様の内部抵抗測定処理を行うことで、上記炭化水素濃度の検出処理と並行してその制御が継続される。その処理の流れを図１６に示している。なお、この処理ルーチンは、図１５のルーチンに対する割り込み処理ルーチンとして、クロックパルス（図示しないクロック回路による）に基づく時間計測によりＣＰＵ５３（図５）が周期的に実行するものである。該実行の周期であるが、例えば０．３〜１mｓの範囲で設定することができる。実行周期が１mｓを超えると、温度測定ひいてはセンサによる濃度検出精度が十分確保できなくなる場合がある。一方、０．３mｓ未満になると、ＣＰＵ５３の処理時間に占める温度測定処理の比率が大きくなり過ぎ、濃度検出精度が十分確保できなくなる場合がある。ただし、ＣＰＵ５３としてクロック周波数の高いものなど、高速処理の可能なものを採用することで、実行周期を上記値以下とできる可能性もある。
【００７７】
まず、内部抵抗ＲVSの測定に係るＳ２０１〜Ｓ２０８の処理については、センサ活性化処理のところで既に説明済みであるから省略する。また、ＲVSから素子温度Ｔを決定し、それに基づいてヒータ制御電圧値Ｖiを決定するＳ２１０〜Ｓ２１５に至る処理は、図１５のセンサ活性化処理のＳ１０７〜Ｓ１１２に至る処理とほぼ同一であるので、これも説明を省略する。その後、Ｓ２１６で時間ｔ4だけ待機した後、Ｓ２１７でＳｗ1をオンとし、内部抵抗測定処理は終了する。以降は、再び図１４の濃度測定処理ルーチンの実行となる。素子温度Ｔの測定値は該内部抵抗測定処理が行われる毎に更新され、常にその更新された素子温度Ｔの情報が、図１４の濃度測定処理ルーチンにおいても使用される。また、ヒータ温度も、素子温度Ｔの測定値に基づいて定期的に補正されることとなる。
【００７８】
これにより、ヒータ２，８により酸素濃度検出素子４の温度が設定値に精度よく保持され、被検出ガス中の炭化物濃度の測定精度が向上する。また、被検出ガスが自動車エンジンの排気ガスである場合、図１３（ａ）に示すように、エンジンが急加減速を行った場合に排気ガス温度が急激に変化し、これに対応して酸素濃度検出素子４の温度Ｔが急激に変化した場合でも、図１３（ｂ）に示すように、酸素ポンプ電流Ｉpの温度変化分を補正することにより、素子温度Ｔの復帰を待たなくても、比較的精度の高い炭化物濃度の測定を続行することが可能となる。
【００７９】
なお、内部抵抗測定処理は、濃度測定処理ルーチンに対する割り込みルーチンとするのではなく、該濃度測定処理ルーチンのサブルーチンとして実行させることもできる。この場合のフローチャートの例を図１７に示す。Ｓ１〜Ｓ５の濃度の決定・出力処理は図１４と全く同じであるが、異なる点はＳ３０１〜Ｓ３０３のステップを追加することにより、１回判定が終了する毎に測定カウンタＮmをカウントアップするようになっている点である。そして、Ｓ３０２でＮmが一定のカウント数Ｎgに到達した場合に、Ｓ３０４として図１６に示したものと全く同一の内部抵抗測定処理が実行される。なお、内部抵抗測定処理実行後は、Ｓ３０１へ戻って測定カウンタＮmが１に戻り、以下同様の処理が繰り返される。この方法においては、内部抵抗測定処理が定期的に行われる点では変わりはないが、必ずしも一定の時間間隔ではなく、濃度測定処理が一定回数終了する毎に実行される点に特徴がある。こうすれば、ＮＯｘ濃度あるいは酸素濃度の測定処理が内部抵抗測定処理のために途中で中断されることがなくなり、エラー等の発生頻度も少なくなる。
【００８０】
さらに、定電流発生回路を図６に示す７７と７８との２台を用いる代わりに、図示しない極性切替え回路を用いて１台のものを随時極性を切り替えて使用するようにしてもよい。また、マイクロプロセッサ５２側から指令された電流値及び極性により、その内容に応じた電流を発生できる回路（例えば電圧／電流変換回路を含むもの等）を用いるようにしてもよい。
【００８１】
また、図５の制御回路ユニット３１ではマイクロプロセッサ５２を搭載した形となっていたが、図２２に示すようにこれを省略する構成とすることもできる。この場合、ヒータ制御回路７２への入力端子７２ｔ、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５からの出力端子６４ｔ，６５ｔ、各制御指令信号の入力端子５６ｔ，６０ｔ，５７ｔ等を、コネクタ（あるいは基板３２に設けられたカードエッジ）９１にまとめ、ここに外部（例えば自動車側に搭載されたもの）のマイクロプロセッサを着脱可能に装着して使用する形態となっている。他方、図２１に示す例では、マイクロプロセッサ５２を搭載しているが、これはヒータ制御回路７２への制御指令手段としてのみ機能し、Ａ／Ｄ変換回路６４，６５からの出力端子６４ｔ，６５ｔ、各制御指令信号の入力端子５６ｔ，６０ｔ，５７ｔ等はコネクタ９１にまとめられ、ここに外部の別のマイクロプロセッサが接続されて使用されるようになっている。
【００８２】
次に、Ｉp1から酸素濃度ＣOXを決定し、またＩp1とＩp2とからＮＯｘ濃度ＣNXとを決定する別の方法について説明する。まず、図１のＮＯｘセンサ１につき予め標準品を定め、この標準品について酸素を含まない試験用ガスを被測定ガスとしたときの、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の特性（第一ポンプ電流Ｉp1をほぼゼロとした場合のＮＯｘ濃度出力特性に相当する）を測定し、これを標準電流パラメータ特性としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、マイクロプロセッサ５２は、第一ポンプ電流Ｉp1と第二ポンプ電流Ｉp2とを検出し、これら検出値から標準電流パラメータ特性に基づいて被測定ガス中のＮＯｘ濃度を求めるのである。なお、酸素を含まない試験用ガスを被測定ガスとしたときの、ＮＯｘ濃度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の変化率はほぼ一定であり、以下、これをゲインと称する。
【００８３】
ところで、本実施例では、被測定ガス中のＮＯｘ成分が過剰に分解してしまうことのないよう、第一処理室９内の酸素濃度を前述の分圧範囲（１０−１０〜１０−６ａｔｍ）内で制御しているため、第二処理室１０には、被測定ガス中のＮＯｘだけでなく第一処理室９において残留している酸素も不可避的に流入する。従って、第二ポンプ電流Ｉp2は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度に対応して変化するものの、被測定ガス中の酸素濃度の影響も受ける。つまり、被測定ガス中のＮＯｘ成分がゼロの場合であっても、被測定ガス中に残留した酸素濃度によって第二ポンプ電流Ｉp2は変化する。このため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１について、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第二ポンプ電流（以下、オフセット電流という）の特性（以下・オフセット特性という）を予め測定しておき（図１９参照）、これを標準オフセット特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、検出された第二ポンプ電流Ｉp2から、そのときの酸素濃度（第一ポンプ電流Ｉp1から測定される）に対応したオフセット電流Ｉp2OFFを差し引くことにより、換言すれば第二ポンプ電流Ｉp2と第一ポンプ電流Ｉp1とに基づいて新たな電流パラメータＩpxを定め、これと上記標準電流パラメータ特性に基づいてＮＯｘ濃度を求めるようにするのである。
【００８４】
ポンプ電流制御の際の第一ポンプ電流Ｉp1は被測定ガス中の酸素濃度に依存して変化するため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１について、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第一ポンプ電流の特性（Ｉp1特性という）を予め測定しておき、これを標準Ｉp1特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、検出された第一ポンプ電流Ｉp1から標準Ｉp1特性に基づいて酸素濃度を検出する。この酸素濃度から上述の通りオフセット電流Ｉp2OFFを求めることができる。
【００８５】
なお、第二ポンプ電流Ｉp2はＮＯｘセンサ１の温度（以下、素子温度という）の変化に伴って変化するため、検出された第二ポンプ電流Ｉp2は素子温度に応じて前記した方式により補正するのが好ましい。ここで、被測定ガスの温度が急変したような場合には、温度制御を被測定ガスの温度変化に追従させることができず、素子温度が被測定ガスの温度変化によって変化することがある。この場合、その素子温度に伴って第二ポンプ電流Ｉp2が変化する。このため、上記標準品としてのＮＯｘセンサ１につきその温度に対する第二ポンプ電流Ｉp2の特性（以下、温度特性という）を予め測定し、これを標準温度特性（図１９参照）としてマイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶しておく。そして、前記したものと同様の方法により内部抵抗ＲVSから求めた素子温度から標準温度特性に基づいて補正量を求め、検出された第二ポンプ電流Ｉp2につき温度補正を行う。
【００８６】
また、ＮＯｘ濃度を検出するに当たり、ゲインは被測定ガス中の酸素濃度によって変化するため、標準電流パラメータ特性は酸素濃度に応じて修正するのが好ましい。本実施例では、上記標準品としてのＮＯｘセンサについて、ある酸素濃度（例えばゼロ）におけるゲインと、別の酸素濃度におけるゲインとを予め測定することにより、酸素濃度に対するゲインの１次関数的な特性（以下、ゲイン特性という）を演算し、これを標準ゲイン特性（図１９参照）として、マイクロプロセッサ５２のＲＯＭ５４（図１８）に記憶している。そして、第一ポンプ電流Ｉp1から検出された酸素濃度から、標準ゲイン特性に基づいてゲインの補正量を求め、検出された第二ポンプ電流Ｉp2につきゲイン補正を行う。なお、上記ＲＯＭ５４が標準特性記憶手段に相当する。
【００８７】
上述した各特性、すなわちＩp1特性、オフセット特性、温度特性、ゲイン特性、Ｉp2特性は、ＮＯｘセンサ１ごとに微妙に異なる。このため、どのＮＯｘセンサに対しても絶えず上記各標準特性を用いてＮＯｘ濃度を検出していたのでは、十分な検出精度が得られない。そこで、本実施例では、ＮＯｘセンサごとに上記各特性を予め測定し、その測定した各特性が上記各標準特性と一致するような各補正データ（Ｉp1特性補正データ、オフセット特性補正データ、温度特性補正データ、ゲイン特性補正データ）を作成し、それをデータ記憶部６６に格納してある。
【００８８】
この場合のＮＯｘ濃度を検出する手順につき、図２０のフローチャートに従い説明する。このＮＯｘ濃度検出処理では、まずＳ４００にて図１５と全く同様の処理によりセンサ活性化処理を実行する。活性化が終了するとＳ４ｌ０に移行し、酸素濃度検出素子４の内部抵抗ＲVSを読み込む。また、Ｓ４２０では、第二ポンプ電流Ｉp2と第一ポンプ電流Ｉp1とを検出する。そして、Ｓ４３０では、Ｓ４１０において読み込んだ内部抵抗ＲVSに基づき、第二ポンプ電流Ｉp2に対する温度補正量を算出し、温度補正を行う。
【００８９】
すなわち、被測定ガスの温度が急変しても、第二ポンプ電流Ｉp2からＮＯｘ濃度を正確に検出できるようにするために、酸素濃度検出素子４の内部抵抗ＲVSから酸素濃度検出素子４の温度つまり素子温度を求め、この素子温度に対応する温度補正量を、ＲＯＭ５４（図１８）に記憶された標準温度特性に基づいて求める。そして、このようにして求めた温度補正量につき、データ記憶部６６から読み出した温度特性補正データで補正して補正済温度補正量とし、これを用いて温度補正を行う。なお、ＮＯｘセンサ１が標準品の場合、補正済温度補正量と標準温度特性によって求めた温度補正量とが一致する。
【００９０】
こうして温度補正が行われるとＳ４４０に進み、温度補正後の第二ポンプ電流Ｉp2からオフセット電流値を差し引いて、電流パラメータＩpxを算出する。すなわち、データ記憶部６６に格納されたＩp1特性補正データを読み出し、第一ポンプ電流Ｉp1をこのＩp1特性補正データで補正して補正済第一ポンプ電流Ｉp1とすることにより、その補正第一ポンプ電流Ｉp1から標準Ｉp1特性をそのまま用いて被測定ガス中の酸素濃度を求める。そして、この酸素濃度から標準オフセット特性をそのまま用いてオフセット電流値Ｉp2OFFを求め、このオフセット電流値Ｉp2OFFを、データ記憶部６６から読み出したオフセット特性補正データで補正することにより補正済オフセット電流値Ｉp2OFFとする。この補正済オフセット電流値Ｉp2OFFを第二ポンブ電流Ｉp2から減じた値を、電流パラメータＩpxとして用いる。
【００９１】
続くＳ４５０では電流パラメータＩpxに対してゲイン補正を行う。すなわち、Ｓ４４０において第一ポンプ電流Ｉp1により求めた酸素濃度から、標準ゲイン特性をそのまま用いてゲインを求め、このゲインをデータ記憶部６６から読み出したゲイン補正データで補正して補正済ゲインとし、これからゲイン補正係数（たとえば、補正済ゲイン／標準電流パラメータ特性におけるゲイン）を求め、この補正係数を用いて電流パラメータＩpxのゲイン補正を行う。なお、ＮＯｘセンサ１が標準品の場合、補正済ゲインと標準ゲイン特性から求めたゲインとが一致する。
【００９２】
そして、続くＳ４６０では、このゲイン補正後の電流パラメータＩpxから、標準電流パラメータ特性を用いてＮＯｘ濃度を求め、これを被測定ガス中のＮＯｘ濃度として出力する。
【００９３】
以上のような各補正データは、各ＮＯｘセンサに固有のものであるため、ＮＯｘセンサごとにデータ記憶部６６が添付される。そして、図８のコネクタ９０を外して別のＮＯｘセンサ１に交換する場合には、そのＮＯｘセンサ１に添付されたデータ記憶部６６に差し替えた上で、窒素酸化物濃度を検出する。
【００９４】
なお、本発明の適用対象となるガスセンサはＮＯｘセンサに限られるものではなく、例えば炭化水素（ＨＣ）を検出するＨＣセンサにも適用可能である。この場合、検出対象となる複数のガス成分は、例えば２以上のＨＣ成分とすることもできるし、酸素と、１又は２以上のＨＣ成分とすることもできる。また。ＨＣセンサ以外では、ＣＯセンサやアンモニアセンサ等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるＮＯｘセンサの一例を示す正面断面図、及びそのＡ−Ａ断面図。
【図２】電極リード部と端子部との接続構造の一例を示す断面図。
【図３】図１のＮＯｘセンサにおける処理室の形成方法を示す説明図。
【図４】同じく別の説明図。
【図５】本発明のガスセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたガスセンサシステムの電気構成の一例を示すブロック図。
【図６】その要部を詳細に示す回路図。
【図７】ヒータ制御回路のいくつかの例を示す回路図。
【図８】本発明のＮＯｘセンサ用制御回路ユニットと、それを用いたＮＯｘセンサシステムの外観を示す斜視図。
【図９】データ記憶部に格納されたＩp1、Ｉp2及びＮＯｘ濃度の関係を与える２次元テーブルの概念図。
【図１０】酸素濃度検出素子の内部抵抗測定時の回路作動系統を示すブロック図。
【図１１】酸素濃度検出素子の内部抵抗測定時の各スイッチの作動タイミング図。
【図１２】素子温度と酸素濃度検出素子の内部抵抗との関係の一例を示すグラフ、及び酸素濃度検出素子の内部抵抗と素子温度の関係を示すマップの概念図。
【図１３】エンジン急加速あるいは急減速に伴うポンプ電流変化の測定例を示すプロファイル、及び素子温度と補正ポンプ電流値との関係の一例を示すグラフ。
【図１４】図５の装置におけるマイクロプロセッサ側の制御の流れを示すフローチャート。
【図１５】そのセンサ活性化処理の詳細を示すフローチャート。
【図１６】同じく内部抵抗測定処理の詳細を示すフローチャート。
【図１７】図５のシステムにおけるマイクロプロセッサ側の別の制御態様の流れを示すフローチャート。
【図１８】ＮＯｘ濃度を決定する別法において使用される、マイクロプロセッサのＲＯＭ及びデータ記憶部の記憶内容を示す説明図。
【図１９】上記別法におけるＮＯｘ濃度の検出手順を示す説明図。
【図２０】その処理の流れを示すフローチャート。
【図２１】ＮＯｘセンサ用制御回路ユニットの第一の変形例を示すブロック図。
【図２２】同じく第二の変形例を示すブロック図。
【符号の説明】
１ 窒素酸化物センサ（ＮＯｘセンサ）
２ 第一ヒータ（加熱素子）
３ 第一ポンプ素子
４ 酸素濃度検出素子
５ 第二ポンプ素子
８ 第二ヒータ（加熱素子）
９ 第一処理室
１０ 第二処理室
１１ 第一の気体流通部（拡散律速部）
１２ 隔壁
１３ 第二の気体流通部（拡散律速部）
１４ 酸素基準電極
１５，１７，１８，１９，２０ 電極
３０ 窒素酸化物センサユニット
３１ 窒素酸化物センサ用制御回路ユニット
５２ マイクロプロセッサ
５３ ＣＰＵ（酸素濃度情報生成手段、窒素酸化物濃度情報生成手段）
５４ ＲＯＭ
５５ ＲＡＭ
５６ 第一ポンプ素子制御回路
５７ 第二ポンプ素子制御回路
５８ 基準用定電流電源回路
６０ 内部抵抗測定制御回路
６４，６５ Ａ／Ｄ変換回路
６６ データ記憶部
６７ Ｄ／Ａ変換回路
６９ 表示装置
７２ ヒータ制御回路（発熱制御回路）
７７，７８ 定電流電源回路
Claims (15)
- 周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、前記第一ポンプ素子と、前記酸素濃度検出素子と、前記第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子を備えたガスセンサに接続して使用され、
前記第一ポンプ素子に対する通電電圧を制御して、前記酸素濃度検出素子の出力電圧がほぼ一定となるように前記第一処理室内の酸素分圧レベルを制御する第一ポンプ素子制御回路と、前記第二処理室から酸素を汲み出す方向に、前記第二ポンプ素子に対して一定電圧を印加する第二ポンプ素子制御回路と、前記加熱素子の発熱を制御する発熱制御回路とを備えた前記ガスセンサの作動制御回路と、
前記第一ポンプ素子に流れる電流（以下、第一ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第一ポンプ電流検出回路と、前記第二ポンプ素子に流れる電流（以下、第二ポンプ電流という）を検出し、その検出信号を出力する第二ポンプ電流検出回路とを備えた信号検出回路とを備え、
前記第一ポンプ電流の検出信号が、前記被測定ガス中の酸素濃度検出に使用され、前記第一ポンプ電流の検出信号と前記第二ポンプ電流の検出信号とが前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度検出に使用されるとともに、
前記第一ポンプ電流の値と、前記第二ポンプ電流の値と、前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ濃度に対する前記第二ポンプ電流の変化率を表すゲインの酸素濃度に対する一次関数的な標準特性（以下、標準ゲイン特性という）を含む標準特性情報を記憶した標準特性情報記憶部と、
前記第一ポンプ電流の値と、前記第二ポンプ電流の値と、前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測した前記ガスセンサの特性を前記標準的な特性に一致させるための補正情報として、前記ゲインの前記酸素濃度に対する一次関数的な特性を前記標準ゲイン特性に一致させるゲイン特性補正データを含む補正情報を記憶した補正情報記憶部と、
マイクロプロセッサにより機能実現され、前記第一ポンプ電流と前記第二ポンプ電流との各信号を検出し、前記補正情報に基づいて前記第一ポンプ電流及び前記第二ポンプ電流の検出値を、前記第二ポンプ電流の値を前記ゲイン特性補正データに基づいてゲイン補正する形で補正するとともに、それら検出値と前記標準特性情報とを用いて前記被測定ガス中の前記窒素酸化物濃度の情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段と、
を備えたことを特徴とするガスセンサ用制御回路ユニット。 - 前記標準特性情報記憶部は、前記第一ポンプ電流の値と、前記第二ポンプ電流の値と、前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め設定された標準的な特性に関する情報として、ＮＯｘ成分がゼロの試験用ガスを被測定ガスとしたときの、酸素濃度に対する第二ポンプ電流の特性をオフセット特性として、該オフセット特性の標準特性 ( 以下、標準オフセット特性という）を含むものとして前記標準特性情報を記憶し、
前記補正情報記憶部は、前記第一ポンプ電流の値と、前記第二ポンプ電流の値と、前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度との関係を表す特性につき、予め実測した前記ガスセンサの特性を前記標準的な特性に一致させるための補正情報として、前記オフセット電流の前記酸素濃度に対する特性を前記標準オフセット特性に一致させるオフセット特性補正データを含むものとして前記補正情報を記憶し、
前記窒素酸化物濃度情報生成手段は、前記補正情報に基づいて前記第一ポンプ電流及び 前記第二ポンプ電流の検出値を、前記第二ポンプ電流の値を前記オフセット特性補正データに基づいてオフセット補正する形で補正するものである請求項１記載のガスセンサ用制御回路ユニット。 - 前記第一ポンプ素子制御回路と、前記第一ポンプ電流検出回路と、前記第二ポンプ素子制御回路と、前記第二ポンプ電流検出回路とを互いに一体的に組みつける組付け手段が設けられている請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記第一ポンプ素子、前記酸素濃度検出素子及び前記第二ポンプ素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくように、前記発熱制御回路に対し前記加熱素子の発熱制御を指令する発熱制御指令手段として少なくとも機能するマイクロプロセッサを備えている請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記第一ポンプ電流検出回路による第一ポンプ電流検出信号と、前記第二ポンプ電流検出回路による第二ポンプ電流検出信号とを、それぞれデジタル変換するＡ／Ｄ変換回路を備える請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記Ａ／Ｄ変換回路によりデジタル変換された前記第一ポンプ電流検出信号に基づいて、前記被測定ガス中の酸素濃度情報を生成する酸素濃度情報生成手段として機能し、同じく前記第一ポンプ電流の検出信号と前記第二ポンプ電流の検出信号とに基づいて前記被測定ガス中の窒素酸化物濃度情報を生成する窒素酸化物濃度情報生成手段として機能するマイクロプロセッサを備える請求項５記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記マイクロプロセッサが出力するデジタル信号のうち、前記酸素濃度情報、前記窒素酸化物濃度情報、前記酸素濃度情報に基づいて生成される空燃比情報、及び前記酸素濃度情報に基づいて生成される過剰酸素率情報の、少なくともいずれかに関するデジタル信号をアナログ変換し、これを対応するアナログ信号として出力するＤ／Ａ変換回路を備える請求項６記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記マイクロプロセッサが出力するデジタル信号のうち、前記酸素濃度情報、前記窒素酸化物濃度情報、前記酸素濃度情報に基づいて生成される空燃比情報、及び前記酸素濃度情報に基づいて生成される過剰酸素率情報の、少なくともいずれかに関するデジタル信号に基づいて、前記被測定ガスの酸素濃度、窒素酸化物濃度、空燃比及び過剰酸素率の少なくともいずれかを表示する表示装置が設けられている請求項６又は７に記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 接続対象となる前記ガスセンサは、前記第一ポンプ素子と、前記酸素濃度検出素子と、前記第二ポンプ素子とを加熱する加熱素子との少なくともいずれかのものの温度を検出する温度検出部とを備えたものであり、前記マイクロプロセッサは、前記温度検出部にて検出される温度の情報と前記第一ポンプ電流検出信号及び前記第二ポンプ電流検出信号とに基づいて、温度補正された酸素濃度及び窒素酸化物濃度の各情報（以下、これらを総称して被検出成分濃度情報という）を生成する被検出成分濃度情報温度補正手段として機能するものである請求項４ないし８のいずれかに記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記酸素濃度検出素子が、素子温度に応じてその内部抵抗を変化させる前記温度検出部として機能し、
その内部抵抗を測定するための内部抵抗測定制御回路が設けられている請求項９記載のガスセンサ用制御回路ユニット。 - 前記マイクロプロセッサにより機能実現される前記発熱制御指令手段は、前記内部抵抗の測定結果に基づいて、前記第一ポンプ素子、前記酸素濃度検出素子及び前記第二ポンプ素子の温度が予め定められた温度目標値に近づくように、前記発熱制御回路に対し前記加熱素子の発熱制御を指令するものである請求項１０記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記内部抵抗測定制御回路は、前記酸素濃度検出素子に対し一定の内部抵抗検出電流を通電する内部抵抗検出電流通電回路を備えるものである請求項１０又は１１に記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記マイクロプロセッサは、該内部抵抗検出電流を通電したときに前記酸素濃度検出素子に印加される電圧（以下、抵抗検出電圧という）を、前記酸素濃度検出素子の内部抵抗情報として検出する内部抵抗情報検出手段として機能するものである請求項１２記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 前記内部抵抗測定制御回路は、前記酸素濃度検出素子に対し前記内部抵抗検出電流を通電してその内部抵抗を測定した後、該酸素濃度検出素子に対し、前記内部抵抗検出電流とは逆方向の修正電流を通電する修正電流通電回路を備える請求項１２又は１３に記載のガスセンサ用制御回路ユニット。
- 周囲から区画されるとともに、第一拡散律速部を介して被測定ガスが導入される第一処理室と、
周囲から区画されるとともに、前記第一処理室内の気体が第二拡散律速部を介して導かれる第二処理室と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第一処理室内の気体の酸素濃度を測定する酸素濃度検出素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第一処理室から酸素を汲み出す第一ポンプ素子と、
酸素イオン伝導性固体電解質で構成されて両面に多孔質電極が形成され、前記第二処理室から酸素を汲み出す第二ポンプ素子と、
を備えたガスセンサと、
該ガスセンサに接続される請求項１ないし１４のいずれかに記載のガスセンサ用制御回路ユニットとを備えたことを特徴とするガスセンサシステム。
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