JP4086108B2

JP4086108B2 - ＮＯｘ測定装置

Info

Publication number: JP4086108B2
Application number: JP2003186311A
Authority: JP
Inventors: 義規井上; 真治熊澤; 章弘小林
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2002-06-28
Filing date: 2003-06-30
Publication date: 2008-05-14
Anticipated expiration: 2023-06-30
Also published as: JP2004101513A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＮＯｘ測定装置に関し、特に、車両に搭載され、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度を測定するためのＮＯｘ測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許文献１（特開２００１−１４１６９６号公報）には、センサ起動時、ＮＯｘセンサセルに通常の第１制御電圧よりも高い第２制御電圧を所定時間印加して、ＮＯｘセンサセルのマイナス側電極に吸着した酸素を除去することにより、センサが正常に作動するまでに要する安定化時間の短縮を図るＮＯｘガス検出装置が提案されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００１−１４１６９６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＮＯｘセンサセルに高電圧が印加された場合、セルを構成する電極や固体電解質層が損傷するおそれがある。ところで、車両には、概ね、十数ボルトの電圧を出力するバッテリが搭載されている。したがって、通常、このバッテリ電圧を所定電圧に降圧して、ＮＯｘセンサセルに印加する電圧を生成しているが、上記特開２００１−１４１６９６号公報はこの電圧の生成方法について開示がない。
【０００５】
本発明の目的は、簡素かつ安価な構成によって、装置が安定して動作するまでの時間をセンサ素子の安全性を確保しつつ短縮することができるＮＯｘ測定装置を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の原理を説明する。固体電解質を用いたＮＯｘセンサ素子が備える窒素酸化物検出セルに高電圧が印加された場合、該セルを構成する固体電解質が、該固体電解質を構成している自己酸素を流すようになり、黒化ないし金属化するおそれがある。なお、固体電解質が黒化することを“ブラックニング”と称する。
【０００７】
通常の車両には、概ね十数Ｖのバッテリが車載されている。従来、このバッテリが供給するバッテリ電圧を降圧して、窒素酸化物検出セルに印加する所定の電圧を生成している。したがって、従来のＮＯｘ測定装置は、窒素酸化物検出セルに印加する所定の電圧を生成するための特別の回路を有している。
【０００８】
ところで、前記ＮＯｘ測定装置を用いて測定を行う場合、前記固体電解質が十分な酸素イオン導電性を示すように、まず、前記ＮＯｘセンサ素子を加熱する。これを、“活性化”と称する。
【０００９】
また、測定開始前、前記ＮＯｘセンサ素子が備える流路内には、大気と同様の組成をもったガスが残留している可能性が高い。すなわち、流路には、酸素濃度が２０．９％のガスが存在する。正確に窒素酸化物濃度を測定するには、流路内の酸素分圧を十分に低下させておく必要がある。さらに、速やかに測定開始するには、前記活性化時、前記加熱と共に、窒素酸化物検出セルに可及的に高い電圧を印加して、流路ないし窒素酸化物濃度測定室から酸素を導出しておく必要がある。
【００１０】
ところで、前記活性化開始直後は、固体電解質の温度がまだ低いため、窒素酸化物検出セルの内部抵抗値が高くなる。したがって、窒素酸化物検出セルに流れる電流値が低くても、窒素酸化物検出セルの内部抵抗値が高いため、窒素酸化物検出セルに印加される電圧が大きくなりすぎ、ブラックニングが発生するおそれが生じる。
【００１１】
そこで、窒素酸化物検出セルに高電圧が印加されることを防止するため、車載のバッテリ電圧（通常１２Ｖ）ではなく、例えば、５Ｖの電源と通常のオペアンプを用いて、窒素酸化物検出セルに印加する電圧を生成する方式が考えられる。しかしながら、５Ｖを電源電圧とする通常のオペアンプの出力電圧は、１．５〜３．５Ｖの範囲であって出力電圧範囲が狭く、特に活性化時、十分に高い電圧を窒素酸化物検出セルに印加することができず、測定開始に時間がかかるという問題が生じる。このようなＮＯｘ測定装置を車両の排気ガス中の窒素酸化物濃度測定に用いた場合、いわゆる“ライトオフ”が遅いという問題が生じる。通常、排気ガスのリーン・リッチに応じてＩｐ１電流（図１の符号２０参照）が正負両方向に流れられるように、センサの基準電位は２Ｖ〜３Ｖに設定される事が多い。その場合センサに印加できる電位差は更に狭くなる。
【００１２】
また、窒素酸化物セルに印加する電圧を生成するための手段として、出力電圧の幅が広い“Rail to Rail”方式のオペアンプを用いた場合、この“Rail to Rail”方式のオペアンプが非常に高価であるという問題がある。
【００１３】
本発明のＮＯｘ測定装置は、前記窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と前記窒素酸化物検出セルとの間に接続され、前記窒素酸化物検出セルに印加される電圧を、測定時に印加される所定の電圧よりも大きな、測定開始前に印加される電圧の大きさ以下に制限するクランプ手段を有することにより、ＮＯｘセンサ素子の活性化時ないし活性化直後には、通常測定時に窒素酸化物検出セルに印加される所定の電圧よりも高く且つセルの損傷を招来しないような最適な電圧を窒素酸化物検出セルに印加することができる。ＮＯｘ測定装置にこのクランプ手段を設けることによって、セーフティに窒素酸化物検出セルに可及的に高い電圧を印加して、流路の酸素を可及的速やかに除去することができるため、測定開始に要するまでの待ち時間を短縮することができる。したがって、本発明のＮＯｘ測定装置を車両の排気ガス中のＮＯｘ濃度測定に適用した場合、ライトオフを早くすることができる。また、本発明のＮＯｘ測定装置を車両の排気ガス中のＮＯｘ濃度測定に適用した場合、窒素酸化物検出セルに印加する電圧を生成するための電源として、既存の車載バッテリ、例えば、１２Ｖバッテリを共用することができるため、別途、低圧の電源、例えば５Ｖの電源を設けたり、５Ｖを電源電圧とするオペアンプを駆動するための特別の回路を設けたりする必要がなくされる。また、本発明によれば、高価な“Rail to Rail”方式のオペアンプを必要とされなくなる。
【００１４】
本発明は、第１の視点において、被検ガスが導入される流路（７，５，８，６）と、前記流路に導入された前記被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セル（３）と、前記酸素分圧検知セルによって検出された酸素濃度に基づき、前記流路の内側から外側へ又は外側から内側へ酸素を汲み出す又は汲み入れることにより、前記流路に導入されたガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる第１酸素ポンプセル（１）と、前記第１酸素ポンプセルにより酸素濃度が制御されたガスが流入し、該ガス中の窒素酸化物を分解して解離した酸素を移動させる第２酸素ポンプセル（２）と、を有するＮＯｘセンサ素子を備え、前記第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、前記第２酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて、前記被検ガス中の窒素酸化物濃度を測定するＮＯｘ測定装置であって、前記第２酸素ポンプセルと電源の間に接続され、該電源から供給される電圧から前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段と、前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段と前記第２酸素ポンプセルとの間に接続され、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を、測定時に印加される所定の電圧よりも大きくかつ電源電圧以下の所定の電圧に制限するクランプ手段と、
前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段が、前記電源から駆動電圧が供給される電源端子と、入力電圧が可変に設定される非反転入力端子と、互いに接続された反転入力端子及び出力端子と、を備えた増幅回路（２２ｂ）を有し、
前記クランプ手段が、前記反転入力端子と前記出力端子との間の節点に接続され、前記第２酸素ポンプセルに前記所定の電圧よりも高電圧が印加されようとする際に導通して、該第２酸素ポンプセルに印加される電圧を該所定の電圧以下に制限するダイオード（２２ｄ）を備える、ことを特徴とするＮＯｘ測定装置を提供する。
なお、特許請求の範囲に付記した図面参照符号は、専ら理解を助けるためのものであり、本願発明を図示した実施態様に限定することを意図するものではない。
【００１５】
本発明は、第１の視点に基づく第２の視点において、前記流路が第１拡散抵抗（７）と、前記第１拡散抵抗を介して被検ガスが導入される第１測定室（５）と、第２拡散抵抗（８）と、第２拡散抵抗を介して前記第１測定室からガスが導入される第２測定室（６）とを含んで構成され、さらに、前記ＮＯｘ測定装置は、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被検ガス中の酸素濃度に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、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測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子と、前記酸素分圧検知セルの外側の電極上の酸素濃度を制御する酸素分圧検知セル制御手段と、前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素濃度を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段であって、前記第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた前記第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段と、前記第２酸素ポンプセルを活性化する際、前記第２酸素ポンプセルに通常の測定時に印加される前記所定の電圧よりも高電圧を印加する活性化手段と、前記第２酸素ポンプ電流を検出する第２酸素ポンプ電流検出手段と、を有し、前記クランプ手段は、前記第２酸素ポンプセルと、前記第２酸素ポンプセル制御手段及び前記活性化手段との間に接続され、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を、前記第２酸素ポンプセルを活性化する際に印加される電圧の大きさ以下に制限する、ことを特徴とするＮＯｘ測定装置を提供する。
【００１６】
本発明によれば、クランプ手段によって、第２酸素ポンプセルの活性化時においても、第２酸素ポンプセルに印加される電圧が制限されることにより、第２酸素ポンプセルの損傷が防止されセンサ素子の安全性が確保される。加えて、クランプ手段が、第２酸素ポンプセルと該第２酸素ポンプセルを駆動する第２酸素ポンプセル制御手段との間に接続されていることにより、第２酸素ポンプセル制御手段の電源電圧として、第２酸素ポンプセル活性化時に第２酸素ポンプセルに印加される活性化電圧よりも、高電圧を用いることができる。例えば、活性化電圧が５Ｖである場合、５Ｖを電源電圧とする高価なＲｔｏＲのオペアンプではなく、１２Ｖ（車載のバッテリ電圧）を電源電圧とするオペアンプを用いることができる。このため、５Ｖの活性化電圧を生成するための回路が不要となり、第２酸素ポンプセル制御手段等の回路を簡素に構成することができる。
【００１７】
本発明は、第３の視点において、酸素イオン伝導性の固体電解質体と、前記固体電解質体中ないし該固体電解質に接して設けられ被検ガスが導入される流路と、前記流路に導入された前記被検ガス中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によって検出された酸素分圧に基づき、前記固体電解質体を通じて前記流路の内側から外側へ又は外側から内側へ酸素を汲み出す又は汲み入れることにより、前記流路に導入されたガス中の酸素分圧を制御する酸素ポンプセルと、前記酸素分圧が制御されたガス中の窒素酸化物を分解して解離した酸素を前記固体電解質体中を移動させる窒素酸化物検出セルと、を有するＮＯｘセンサ素子を備え、前記窒素酸化物検出セルと電源の間に接続され、該電源から供給される電圧から該窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と、前記窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と前記窒素酸化物検出セルとの間に接続され、前記窒素酸化物検出セルに過電圧が印加されることを常時防止すると共に、該窒素酸化物検出セルに前記ＮＯｘセンサ素子の活性化時には測定時よりも十分に大きな電圧が印加されることを許容するクランプ手段と、を有することを特徴とするＮＯｘ測定装置を提供する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施の形態に係るＮＯｘ測定装置は、酸素イオン伝導性の固体電解質体１５と、前記固体電解質体中ないし該固体電解質に接して設けられ被検ガスが導入される流路（７，５，８，６）と、前記流路に導入された前記被検ガス中の酸素分圧を検出する酸素分圧検知セル（酸素濃度検出セル３）と、前記酸素分圧検知セルによって検出された酸素分圧に基づき、前記固体電解質体を通じて前記流路の内側から外側へ又は外側から内側へ酸素を汲み出す又は汲み入れることにより、前記流路に導入されたガス中の酸素分圧を制御する酸素ポンプセル（第１酸素ポンプセル１）と、前記酸素分圧が制御されたガス中の窒素酸化物を分解して解離した酸素を前記固体電解質体中を移動させる窒素酸化物検出セル（第２酸素ポンプセル２）と、を有するＮＯｘセンサ素子を備え、前記窒素酸化物検出セルと電源、例えば、車両に搭載されている１２Ｖバッテリ電源（１２Ｖ）との間に接続され、該電源から供給される電圧から該窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段２２ｂと、前記窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と前記窒素酸化物検出セルとの間に接続され、前記窒素酸化物検出セルに異常に大きな電圧が印加されようとする際に作動して該窒素酸化物検出セルに過電圧が印加されることを常時防止すると共に、該窒素酸化物検出セルに前記ＮＯｘセンサ素子の活性化時には測定時よりも十分に大きな電圧が印加されることを許容するクランプ手段２２ｄと、を有する。
【００１９】
さらに好ましくは、前記窒素酸化物検出セル（第２酸素ポンプセル２）に印加するための電圧を生成する手段が、前記電源から駆動電圧が供給される電源端子（図３（Ｂ）の１２Ｖが入力される電源端子参照）と、入力電圧が可変に設定される非反転入力端子（＋）と、互いに接続された反転入力端子（−）及び出力端子（図３（Ｂ）の負帰還抵抗を介して互いに電気的に接続された反転入力端子（−）及び出力端子参照）と、を備えた増幅回路２２ｂを有し、前記クランプ手段が、前記非反転入力端子と前記出力端子との間の節点に接続され、前記窒素酸化物検知セルに前記活性化電圧よりも高電圧が印加されようとする際に導通して、該窒素酸化物検出セルに印加される電圧を該活性化電圧の大きさ以下に制限するダイオード２２ｄを備えることを特徴とする。
【００２０】
また、好ましくは、前記非反転入力端子と前記出力端子との間に、前記増幅回路の増幅度を変更して前記活性化電圧を発生させるための回路（図２の活性化手段４０参照）が接続される。
【００２１】
好ましくは、前記活性化電圧を発生させるための回路を、検出抵抗２２ａ，２２ｃに流れる電流による電圧降下を想定して、出力される電圧が、測定電圧から２Ｖから３Ｖ程度まで加えられるよう構成する。また、好ましくは、前記窒素酸化物検出セル（第２酸素ポンプセル２）に前記活性化電圧が印加された直後、前記測定電圧の１〜１５％大きな電圧が印加されるよう、前記入力電圧を可変する。
【００２２】
本発明のＮＯｘ測定装置は、ＮＯｘ測定装置が車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定する装置に好適に適用され、前記窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段２２ｂを駆動するための前記電源が、前記内燃機関を駆動ないし制御するためのバッテリ電源と共用される。
【００２３】
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第２酸素ポンプ電流検出手段が前記第２酸素ポンプ電流が流れる検出抵抗を備え、前記第２酸素ポンプセル制御手段が、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を所定値に制御するオペアンプを備え、前記クランプ手段が、前記検出抵抗（図３（Ｂ）の２２ａ）と前記オペアンプ（図３（Ｂ）の２２ｂ）の出力端子の間の節点に接続されたダイオード（図３（Ｂ）の２２ｄ）を備える。
【００２４】
【実施例】
以上説明した本発明の好ましい実施の形態をさらに明確化するために、以下図面を参照して、本発明の一実施例を説明する。
【００２５】
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置の構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【００２６】
図１（Ａ）を参照すると、ＮＯｘセンサ素子は、主として、第１酸素ポンプセル（酸素ポンプセル）１、第２酸素ポンプセル（窒素酸化物検知セル）２及び酸素分圧検知セル３、さらにＮＯｘセンサ素子を所定の作動温度に加熱するヒータ４から構成されている。第１酸素ポンプセル１と酸素分圧検知セル３の間には、第１測定室５が形成されている。第１測定室５には、第１拡散孔７を介して、被検ガスが導入される。第１測定室５は、第２拡散孔８を通じて、第２測定室６と連通している。すなわち、固体電解質体中に、流路（７，８，５，６）が設けられている。
【００２７】
第１酸素イオンポンプセル１は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極９，１０から構成されている。電極１０は第１測定室５に面して配置され、電極９は外部に面して配置されている。電極１０上で第１測定室５内の酸素等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極９上から外部へ導出され、このとき該固体電解質を通じて流れる電流が第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１である。
【００２８】
第２酸素イオンポンプセル２は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１３，１４から構成されている。電極１３は第２測定室６に面して配置され、電極１４は第２測定室６外に配置されると共に酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。電極１３上で第２測定室６内のＮＯｘ等が解離され生成された酸素イオンが固体電解質を通って電極１４上から外部へ導出され、このとき固体電解質を通じて流れる電流が第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２である。通常の測定モードにおいて、電極１３と電極１４間には一定の電圧が印加される。
【００２９】
酸素分圧検知セル３は、ジルコニアのような酸素イオン伝導性を有する固体電解質と、固体電解質上に形成された一対の電極１１，１２から構成されている。電極１１は第１測定室５に面して配置され、電極１２は酸素濃度が安定した雰囲気に晒されている。したがって、電極１１と電極１２の間に発生する電位差に基づいて、第１測定室５内の酸素濃度、結局、被検ガス中の酸素濃度を検出することができる。
【００３０】
図１（Ａ）を参照すると、センサ制御手段は、酸素分圧検知セルに現れる第１測定室５内の酸素濃度を検出すると共に、第１測定室５外に設けられた電極１２上の酸素濃度を制御する酸素分圧セル制御手段２１と、酸素分圧検知セル３の検出出力に基づいて第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１を制御することにより、第１測定室５内の酸素濃度を可及的に一定に制御する第１酸素ポンプセル制御手段２０と、第２酸素ポンプセル２に可及的に一定な所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が流れるように第２酸素ポンプセル２を制御する第２酸素ポンプセル制御手段２２と、を含んで構成されている。第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１ないし第１酸素ポンプセル１に印加される所定の電圧Ｖｐ１は、第１酸素ポンプセル制御手段２０が備える検出抵抗２０ａに流れる電流、該抵抗の両端の電圧を測定することによって検出することができる。第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２ないし第２酸素ポンプセル２に印加される所定の電圧Ｖｐ２は、第２酸素ポンプセル制御手段２２が備える検出抵抗２２ａに流れる電流、該抵抗の両端の電圧を測定することによって検出することができる。
【００３１】
図２は、図１（Ａ）に示したＮＯｘ測定装置に適用される第２酸素ポンプセルの活性化手段を説明するための図である。図２を参照すると、第２酸素ポンプセル２の活性化手段４０は、早期活性判定手段３０ａと、早期活性判定手段３０ａから出力される指令に応じて、ワンショットパルス信号を出力するタイマ４１と、タイマ４１の出力に接続され前記ワンショットパルス信号をオン信号として駆動されるトランジスタ４２と、トランジスタ４２のコレクタ端子に接続されるコンデンサ４３と抵抗４４とから構成される積分回路と、を含んで構成されている。トランジスタ４２と前記積分回路との間の節点は、オペアンプ２２ｂの反転入力端子に接続され、コンデンサ４３と抵抗４４の節点は、検出抵抗２２ａと第２酸素ポンプセル２の間の節点に接続されている。オペアンプ２２ｂの非反転入力端子と出力端子の間にはコンデンサ４５が接続されている。また、第２酸素ポンプセル制御手段２２が備えるオペアンプ２２ｂの非反転入力端子には、電源が接続され、電源は、早期活性判定手段３０ａからの指令に応じて、活性時と、測定時等の非活性時において異なる電圧（オペアンプ２２ｂの入力電圧）Ｖ１を出力する。
【００３２】
早期活性判定手段３０ａからの指令により、タイマ４１がトランジスタ４２をオンすると、オペアンプ２２ｂの増幅度が変化して、通常測定時よりも大きな電圧が第２酸素ポンプセル２に印加される。
【００３３】
図３（Ａ）は、参考例１に係るＮＯｘ測定装置が有する第２酸素ポンプセル制御手段を説明するための図であり、図３（Ｂ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置が有するクランプ手段及び第２酸素ポンプセル制御手段を説明するための図である。
【００３４】
図３（Ａ）を参照して、参考例１に係るＮＯｘ測定装置の第２酸素ポンプセル制御手段１２２は、５Ｖを電源とするオペアンプ１２２ｂを有している。一方、図３（Ｂ）を参照して、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置の第２酸素ポンプセル制御手段２２は、１２Ｖを電源とするオペアンプ２２ｂを有している。検出抵抗２２ａとオペアンプ２２ｂの出力端子の間には抵抗２２ｃが接続され、抵抗２２ｃと検出抵抗２２ａの間の節点に、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧を５Ｖ以下にクランプするダイオード（クランプ手段）２２ｄが接続されている。クランプ手段であるダイオード２２ｄは、第２酸素ポンプセル２と、第２酸素ポンプセル制御手段２２及び活性化手段４０（図２参照）との間に接続され、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧を、その活性化時に印加される電圧の大きさ以下に制限する。すなわち、オペアンプ２２ｂが、例えば上述した早期活性判定手段３０ａ（図２参照）から活性化指令が出力されてトランジスタ４２（図２参照）がオンされ、オペアンプ２２ｂの出力端子の電圧が所定値以上に上昇した場合、ダイオード２２ｄが導通して、第２酸素ポンプセル２の一方の電極１４の電位が約５Ｖ以下にクランプされる。上述したように、電極１３（Ｖｓ／Ｉｐ端子）の電位すなわち基準電位は、２〜４Ｖに設定される。また、第２酸素ポンプセル（Ｉｐ２セル）に印加される電圧Ｖｐ２（電極１３及び電極１４間の電位差）は最適値約４００〜約５５０ｍＶとなるように、抵抗２２ａ及び抵抗２２ｃにより設定される。この電位差はＩｐ２セルを十分に活性化させる電圧であって、Ｉｐ２セルの電極にブラックニング（deoxidization）を発生させない電圧である。本発明においては、抵抗２２ａ及び抵抗２２ｃの間の電位がダイオード２２ｄによって５Ｖより上にならないようにバイアスされているので、抵抗２２ａと抵抗２２ｃの合計抵抗を例えば２００〜４００Ｋオーム程度に設定する事によりＩｐ２セルに印加される電圧を斯かる適性値にすることができる。かくてセンサ素子の安全が確保される。
【００３５】
参考例１のＮＯｘ測定装置においては、ＲｔｏＲのオペアンプを用いているため、測定装置の価格が高くなるとともに、この測定装置を車両の内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度測定に適用した場合、車載バッテリ電圧を降圧して５Ｖを生成するための回路が必要となる。一方、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置においては、１２Ｖ駆動のオペアンプ２２ｂを用いることができるため、ＮＯｘ測定装置を安価に製造することができると共に、上述の５Ｖを生成するための回路が不要となる。
【００３６】
図４は、本発明の一実施例（実施例１）、参考例１及び参考例２に係るＮＯｘ測定装置によるＶｐ２とＩｐ２の測定結果を説明するための図である。参考例２は図３（Ｂ）に示した実施例１のＮＯｘ測定装置においてダイオード２２ｄを有していないものである。なお、測定条件は、定常状態で第２酸素ポンプセル２に印加される電圧（第２酸素ポンプセルの両電極間の電位差）Ｖｐ２が約０．４５Ｖとなるように設定し、実施例１及び参考例２は１２Ｖ駆動のオペアンプ、参考例１は５Ｖ駆動のＲｔｏＲのオペアンプを用いている。
【００３７】
図４を参照すると、実施例１のＮＯｘ測定装置においては、参考例２のＮＯｘ装置と比べて、第２酸素ポンプセルに印加される電圧（第２酸素ポンプセルの両方の電極間の電圧）Ｖｐ２及び第２酸素ポンプセルに流れる第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２が大幅に削減されていることがわかる。したがって、参考例２によれば、センサの立ち上がり時、流路内の酸素を早く抜くために第２酸素ポンプセルに印加する電圧を高く設定した場合、第２酸素ポンプセルに実際に印加される電圧が予期したよりも大きくなりすぎ、第２酸素ポンプセルにブラックニングが発生するおそれが生じる。したがって、参考例２によれば、センサの立ち上がり時（センサ活性化時）、第２酸素ポンプセルに印加する電圧を十分に高く設定することができないという問題がある。一方、実施例１によれば、クランプ手段（ダイオード２２ｄ）を設けたことにより、第２酸素ポンプセルに印加される電圧が常時、所定値以下に制限されるため、センサの立ち上がり時（センサ活性化時）、第２酸素ポンプセルに印加する電圧を高く設定して、測定開始までに要する待ち時間を短縮することができる。そして、実施例１のＮＯｘ測定装置においては、参考例１のＮＯｘ装置と比べて、第２酸素ポンプセルに流れる第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２がさらに削減されていることがわかる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、簡素かつ安価な構成によって、装置が安定して動作するまでの時間をセンサ素子の安全性を確保しつつ短縮することができるＮＯｘ測定装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置の構成要素であるＮＯｘセンサ素子の構成及び測定原理を説明するための図である。
【図２】図１（Ａ）に示したＮＯｘ測定装置に適用される第２酸素ポンプセルの活性化手段を説明するための図である。
【図３】（Ａ）は、参考例１に係るＮＯｘ測定装置が有する第２酸素ポンプセル制御手段を説明するための図であり、（Ｂ）は、本発明の一実施例に係るＮＯｘ測定装置が有するクランプ手段及び第２酸素ポンプセル制御手段を説明するための図である。
【図４】本発明の一実施例（実施例１）、参考例１及び参考例２に係るＮＯｘ測定装置によるＶｐ２とＩｐ２の測定結果を説明するための図である。
【符号の説明】
１第１酸素ポンプセル（酸素ポンプセル）
２第２酸素ポンプセル（窒素酸化物検知セル）
３酸素分圧検知セル
４ヒータ
５第１測定室
６第２測定室（窒素酸化物濃度測定室）
７第１拡散孔（第１拡散抵抗）
８第２拡散孔（第２拡散抵抗）
（７，８，５，６）流路
９電極
１０電極
１１電極
１２電極
１３電極
１４電極
１５固体電解質体
２０第１酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ１ドライブ）
２０ａ検出抵抗
２１酸素分圧検知セル制御手段（Ｖｓドライブ）
２２第２酸素ポンプセル制御手段（Ｉｐ２ドライブ）
２２ａ検出抵抗
２２ｂオペアンプ
２２ｃ抵抗
２２ｄダイオード
３０ａ早期活性判定手段
４０活性化手段
４１タイマ
４２トランジスタ
４３コンデンサ
４４抵抗
４５コンデンサ

Claims

被検ガスが導入される流路（７，５，８，６）と、
前記流路に導入された前記被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セル（３）と、
前記酸素分圧検知セルによって検出された酸素濃度に基づき、前記流路の内側から外側へ又は外側から内側へ酸素を汲み出す又は汲み入れることにより、前記流路に導入されたガス中の酸素濃度に応じた電流が流れる第１酸素ポンプセル（１）と、
前記第１酸素ポンプセルにより酸素濃度が制御されたガスが流入し、該ガス中の窒素酸化物を分解して解離した酸素を移動させる第２酸素ポンプセル（２）と、を有するＮＯｘセンサ素子を備え、
前記第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、前記第２酸素ポンプセルに流れる電流に基づいて、前記被検ガス中の窒素酸化物濃度を測定するＮＯｘ測定装置であって、
前記第２酸素ポンプセルと電源の間に接続され、該電源から供給される電圧から前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段と、
前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段と前記第２酸素ポンプセルとの間に接続され、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を、測定時に印加される所定の電圧よりも大きくかつ電源電圧以下の所定の電圧に制限するクランプ手段と、
を有し、
前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段が、前記電源から駆動電圧が供給される電源端子と、入力電圧が可変に設定される非反転入力端子と、互いに接続された反転入力端子及び出力端子と、を備えた増幅回路（２２ｂ）を有し、
前記クランプ手段が、前記反転入力端子と前記出力端子との間の節点に接続され、前記第２酸素ポンプセルに前記所定の電圧よりも高電圧が印加されようとする際に導通して、該第２酸素ポンプセルに印加される電圧を該所定の電圧以下に制限するダイオード（２２ｄ）を備える、ことを特徴とするＮＯｘ測定装置。
前記反転入力端子と前記出力端子との間に、前記ＮＯｘセンサ素子ないし前記第２酸素ポンプセルを活性化する際に前記増幅回路の増幅度を変更して前記第２酸素ポンプセルに通常の測定時に印加する電圧よりも高い電圧を発生させるための回路が接続されたことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ測定装置。
前記ＮＯｘセンサ素子ないし前記第２酸素ポンプセルを活性化する際に前記第２酸素ポンプセルに前記高い電圧を印加した直後、前記入力電圧を変更することにより、前記第２酸素ポンプセルに前記測定電圧の大きさに近く且つ該測定電圧よりも大きな電圧を印加することを特徴とする請求項２記載のＮＯｘ測定装置。
前記ＮＯｘ測定装置が車両に搭載される内燃機関から排出される排気ガス中の窒素酸化物濃度を測定するものであって、
前記電源が、前記内燃機関を駆動ないし制御するためのバッテリ電源と共用される、ことを特徴とする請求項１記載のＮＯｘ測定装置。
請求項１記載のＮＯｘ測定装置であって、前記流路が第１拡散抵抗（７）と、前記第１拡散抵抗を介して被検ガスが導入される第１測定室（５）と、第２拡散抵抗（８）と、第２拡散抵抗を介して前記第１測定室からガスが導入される第２測定室（６）とを含んで構成され、
さらに、前記ＮＯｘ測定装置は、
前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、該一対の電極間の電位差に基づいて前記第１測定室内における被検ガス中の酸素濃度を検出する酸素分圧検知セルと、前記第１測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第１測定室の内側から外側へ又は外側から内側へ該一対の電極を介して酸素を汲み出すことにより、被検ガス中の酸素濃度に応じた電流（以下「第１酸素ポンプ電流」という）が流れる第１酸素ポンプセルと、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測定室の内側と外側に設けられた一対の電極を備え、前記第２測定室内の窒素酸化物を分解し、解離した酸素が移動することによりＮＯｘ濃度に応じた電流（以下「第２酸素ポンプ電流」という）が該一対の電極間に流れる第２酸素ポンプセルと、を備えるＮＯｘセンサ素子と、
前記酸素分圧検知セルの外側の電極上の酸素濃度を制御する酸素分圧検知セル制御手段と、
前記酸素分圧検知セルの検出出力に基づいて所定の電圧を前記第１酸素ポンプセルに印加して前記第１酸素ポンプ電流を制御することにより、前記第１測定室内の酸素濃度を制御する第１酸素ポンプセル制御手段と、
前記第２酸素ポンプセルに印加するための電圧を生成する手段であって、前記第２酸素ポンプセルに所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度に応じた前記第２酸素ポンプ電流が流れるように該第２酸素ポンプセルを制御する第２酸素ポンプセル制御手段と、
前記第２酸素ポンプセルを活性化する際、前記第２酸素ポンプセルに通常の測定時に印加される前記所定の電圧よりも高電圧を印加する活性化手段と、
前記第２酸素ポンプ電流を検出する第２酸素ポンプ電流検出手段と、
を有し、
前記クランプ手段は、前記第２酸素ポンプセルと、前記第２酸素ポンプセル制御手段及び前記活性化手段との間に接続され、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を、前記第２酸素ポンプセルを活性化する際に印加される電圧の大きさ以下に制限する、
ことを特徴とするＮＯｘ測定装置。
前記第２酸素ポンプ電流検出手段が前記第２酸素ポンプ電流が流れる検出抵抗を備え、
前記第２酸素ポンプセル制御手段が、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を所定値に制御する前記増幅回路のオペアンプを備え、
前記クランプ手段が、前記検出抵抗と前記オペアンプの出力端子の間の節点に接続された前記ダイオードを備える、ことを特徴とする請求項５記載のＮＯｘ測定装置。
酸素イオン伝導性の固体電解質体と、
前記固体電解質体中ないし該固体電解質に接して設けられ被検ガスが導入される流路と、
前記流路に導入された前記被検ガス中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によって検出された酸素分圧に基づき、前記固体電解質体を通じて前記流路の内側から外側へ又は外側から内側へ酸素を汲み出す又は汲み入れることにより、前記流路に導入されたガス中の酸素分圧を制御する第１酸素ポンプセルと、
前記酸素分圧が制御されたガス中の窒素酸化物を分解して解離した酸素を前記固体電解質体中を移動させる窒素酸化物検出セルと、を有するＮＯｘセンサ素子を備え、
前記窒素酸化物検出セルに所定の電圧を印加することにより、前記固体電解質体に流れる電流に基づいて、前記被検ガス中の窒素酸化物濃度を測定するＮＯｘ測定装置であって、
前記窒素酸化物検出セルと電源の間に接続され、該電源から供給される電圧から該窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と、
前記窒素酸化物検出セルに印加するための電圧を生成する手段と前記窒素酸化物検出セルとの間に接続され、前記該窒素酸化物検出セルに過電圧が印加されることを常時防止すると共に、該窒素酸化物検出セルに前記ＮＯｘセンサ素子の活性化時には測定時よりも十分に大きな電圧が印加されることを許容するクランプ手段と、
を有することを特徴とするＮＯｘ測定装置。
前記第２酸素ポンプセルへ印加する前記所定の電圧は、４００〜５５０ｍＶである請求項１記載のＮＯｘ測定装置。
前記クランプ手段は、前記ダイオード（２２ｄ）及び２つの抵抗（２２ａ，２２ｃ）を含み、該ダイオード（２２ｄ）の端子は該２つの抵抗（２２ａ，２２ｃ）に接続される請求項１記載のＮＯｘ測定装置。