JP4664653B2

JP4664653B2 - ガス濃度測定装置

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Publication number: JP4664653B2
Application number: JP2004330841A
Authority: JP
Inventors: 康雄小池
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2011-04-06
Anticipated expiration: 2024-11-15
Also published as: JP2006138809A

Description

本発明は、被測定ガス中に含まれる特定ガスの濃度を測定するためのガス濃度測定装置に関する。

従来より、被測定ガス中に含まれる特定ガスの濃度を測定するためのガス濃度測定装置（ガス成分濃度検出器）が知られている（特許文献１、特許文献２、特許文献３参照）。なお、被測定ガスとしては、自動車の内燃機関やボイラ等の燃焼機器の排気ガスなどがあり、特定ガスとしてはＮＯｘなどがある。

このガス濃度測定装置は、被測定ガス中の酸素濃度を検知する酸素濃度検知セル（酸素分圧検知セル）と、被測定ガス中から酸素を汲み出す第１酸素イオンポンプセル（ポンプセル）と、酸素が汲み出された後の被測定ガス特定ガス（ＮＯｘ）を汲み出す第２酸素イオンポンプセル（センサセル）とを備えている。

なお、第１酸素イオンポンプセル（ポンプセル）は、酸素を解離する特性を有し、第２酸素イオンポンプセルは、酸素よりも解離電圧が高い特定ガス（例えば、ＮＯｘなど）を解離できる特性を有する。

なお、印加電圧を高く設定する、あるいは、電極材料としてガス解離能力（活性化能力）の高い材料を用いるなどにより、第２酸素イオンポンプセルの解離能力を第１酸素イオンポンプセルよりも高くすることも可能である。また、「Ｐｔからなる材料」は、「ＰｔおよびＡｕからなる材料」に比べて、ガス解離能力（活性化能力）の高い材料である。

そして、ガス濃度測定装置は、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値に基づき、被測定ガスにおける特定ガスの濃度を検出する。なお、特定ガスの濃度は、例えば、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値の積分値を測定し、その積分値に基づき特定ガス濃度の換算値を算出する演算手段を備えることで算出できる。
特開平１０−０９０２２０号公報（請求項１、図３など）特開平１０−１６０７０３号公報（請求項１、図１など）特開２００３−２３２７７１号公報（請求項１、図２など）

しかし、上記従来のガス濃度測定装置は、第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を常時行い、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を常時測定している。このため、被測定ガス中の特定ガス濃度が低い場合には、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値が微小となるため、ノイズなどの影響を受けやすく検出誤差が生じやすくなり、特定ガスの検出精度が低下する虞がある。

また、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値が微小であるために、電流値の変化を検出することが困難となり、特定ガスの濃度変化を適切に検出することができず、濃度変化の検出精度が低下してしまう。

そこで、本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、被測定ガス中の特定ガス濃度が低い場合においても、特定ガスの検出精度が低下し難いガス濃度測定装置を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、ガス拡散抵抗部を介して被測定ガスが導入される被測定ガス室と、一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、被測定ガス室中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セルと、一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、酸素濃度検知セルにより検出された酸素濃度に基づき、被測定ガス室に対して酸素を汲み入れまたは汲み出す第１酸素イオンポンプセルと、一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、第１酸素イオンポンプセルにより酸素が汲み出された後の被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定する第２酸素イオンポンプセルと、第２酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第２ポンプセル用電源手段と、を備えて、被測定ガス中における特定ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、特定ガスは、Ｏ₂よりも解離電圧が高いガスであり、第２ポンプセル用電源手段の電圧印加により第２酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第２通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第２スイッチング手段と、特定ガスの濃度検出時は第２通電経路を接続状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外は第２通電経路を遮断状態に設定するように、第２スイッチング手段を駆動制御する制御手段と、を備えており、被測定ガス室は、１室で構成されており、第１酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体と、第２酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体とが、単一の酸素イオン伝導性固体電解質体を共有し、特定ガスは、ＮＯｘであること、を特徴とするガス濃度測定装置である。

このガス濃度測定装置は、第２スイッチング手段および制御手段を備えており、特定ガスの濃度検出時は第２通電経路を接続状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外は第２通電経路を遮断状態に設定することに特徴がある。

つまり、第２ポンプセル用電源手段による第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を常時行うのではなく、特定ガスの濃度検出時には第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を行い、特定ガスの濃度検出時以外には第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を行わないように構成されている。

これにより、第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を行わない時間帯（測定停止時間帯）においては、被測定ガス中の特定ガスが汲み出されることが無いため、被測定ガス室に存在する特定ガスが減少することがない。

なお、従来のように第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を常時行う場合には、被測定ガス室に存在する特定ガスが汲み出されると共に、ガス拡散抵抗部により外部から被測定ガス室への特定ガスの流入が制限されることから、被測定ガス室に存在する特定ガスの濃度は、外部の被測定ガスにおける特定ガスの濃度に比べて低くなる。

これに対して、本発明では、測定停止時間帯においては、被測定ガス室の中の特定ガスが汲み出されることが無い。よって、外部から被測定ガス室への特定ガスの流入がガス拡散抵抗部により制限されるものの、被測定ガス室における特定ガスの濃度は、第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を開始する時点までに、外部の被測定ガスにおける特定ガス（ＮＯｘ）の濃度に近づくことになる。

そして、第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を行う時間帯（測定実行時間帯）においては、測定停止時間帯に被測定ガス室に蓄積された特定ガスの量に応じて、第２酸素イオンポンプセルに電流が流れることになる。

このとき、被測定ガス室における特定ガスは、従来のように第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を常時行う場合に比べて、濃度が高くなるため、特定ガスの濃度が低い被測定ガスであっても、従来に比べて被測定ガス室における特定ガスの濃度を高めることができ、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくすることができる。

このように、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくすることで、ノイズなどの影響による電流値の検出誤差を低減でき、特定ガスの検出精度の低下を抑制することができる。

なお、特定ガスの濃度は、例えば、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値の積分値を測定し、その積分値に基づき特定ガス濃度の換算値を算出する演算手段を備えることで算出できる。そして、従来のように常時第２酸素イオンポンプセルへの電圧印加を行う場合でも、本発明のように測定停止時間帯と測定実行時間帯とを有する場合でも、被測定ガスにおける特定ガスの濃度が同一であれば、理論的には、単位時間あたりに第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値の積分値は同一値となる。

しかし、本発明のガス濃度測定装置は、従来に比べて、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくできることから、ノイズなどの影響による電流値の検出誤差を低減することができ、電流の積分値を精度良く演算することができる。

よって、本発明のガス濃度測定装置によれば、特定ガスを検出するタイミングを常時ではなく限られた時間に限定することで、特定ガスが微量ずつ消費されるのを防止でき、検出時の電流値を大きくできる。これにより、本発明のガス濃度測定装置は、特定ガス濃度が低い被測定ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつ特定ガスの濃度を測定することができ、特定ガスの検出精度を向上できる。

なお、本発明のガス濃度測定装置は、Ｏ₂よりも解離電圧が高い特定ガスを測定対象としており、特に、酸素イオンを含む組成の特定ガスを測定する際に有効である。
次に、本発明のガス濃度測定装置においては、被測定ガス室は、１室で構成されており、第１酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体と、第２酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体とが、単一の酸素イオン伝導性固体電解質体を共有している。

つまり、第１酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体と、第２酸素イオンポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体とを、それぞれ別々の酸素イオン伝導性固体電解質体で形成するのではなく、同一の酸素イオン伝導性固体電解質体で形成するのである。

また、本発明は、被測定ガス室を２室備える複雑な構成ではなく、被測定ガス室を１室のみ備える構成であり、構成が簡略化されている。
このように、単一の酸素イオン伝導性固体電解質体を第１酸素イオンポンプセルと第２酸素イオンポンプセルとで共用すると共に、被測定ガス室を１室にする構成を採用することにより、装置の構成を簡略化できる。これにより、当該装置のうち、被測定ガス室、第１酸素イオンポンプセルおよび第２酸素イオンポンプセルを備える部分（センサ素子部）の小型化を図ることができ、センサ素子部の設置スペースに関する制約を少なくすることができる。

このようにセンサ素子部の設置に必要なスペースを小型化することで、従来の設置位置よりも被測定ガス室への被測定ガスの導入が良好となる位置に対して、センサ素子部を容易に配置することができ、より確実に特定ガスを被測定ガス室に導入することが可能となる。

よって、本発明によれば、より確実に特定ガスを被測定ガス室に導入できることから、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくすることができ、特定ガス濃度が低い被測定ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつ特定ガスの濃度を測定することができ、特定ガスの検出精度を向上できる。

次に、上述（請求項１）のガス濃度測定装置においては、請求項２に記載のように、第１酸素イオンポンプセルを形成する一対の多孔質電極と、第２酸素イオンポンプセルを形成する一対の多孔質電極とが、単一の一対の多孔質電極を共有しており、第１酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第１ポンプセル用電源手段と、第１ポンプセル用電源手段の電圧印加により第１酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第１通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第１スイッチング手段を備え、制御手段は、特定ガスの濃度検出時には、第２通電経路を接続状態に設定すると共に第１通電経路を遮断状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外には、第２通電経路を遮断状態に設定すると共に第１通電経路を通電状態に設定するように、第２スイッチング手段および第１スイッチング手段を制御するとよい。

つまり、このガス濃度測定装置は、第１酸素イオンポンプセルを形成する一対の多孔質電極と、第２酸素イオンポンプセルを形成する一対の多孔質電極とを、それぞれ別々の一対の多孔質電極で形成するのではなく、同一の一対の多孔質電極で形成することに特徴がある。

このように、単一の一対の多孔質電極を第１酸素イオンポンプセルと第２酸素イオンポンプセルとで共用することにより、装置の構成を簡略化でき、当該装置のうちセンサ素子部の小型化を図ることができ、センサ素子部の設置スペースに関する制約を少なくすることができる。

この結果、従来の設置位置よりも被測定ガス室への被測定ガスの導入が良好となる位置に対して、センサ素子部を容易に配置することができ、より確実に特定ガスを被測定ガス室に導入することが可能となる。

なお、このガス濃度測定装置は、第１スイッチング手段、第２スイッチング手段および制御手段を備えており、特定ガスの濃度検出時には第２通電経路を接続状態に設定すると共に第１通電経路を遮断状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外には第２通電経路を遮断状態に設定すると共に第１通電経路を通電状態に設定する。

これにより、単一の一対の多孔質電極を第１酸素イオンポンプセルと第２酸素イオンポンプセルとで共用する構成においても、被測定ガス室中の酸素を適切に汲み出しまたは汲み入れができると共に、特定ガスの濃度に応じた電流値を検出することができる。

次に、上述（請求項１）のガス濃度測定装置においては、請求項３に記載のように、第１酸素イオンポンプセルおよび第２酸素イオンポンプセルは、それぞれ一対の多孔質電極として、被測定ガス室に面する内側電極と、被測定ガス室に面しない外側電極とを備え、第１酸素イオンポンプセルを形成する外側電極と第２酸素イオンポンプセルを形成する外側電極とが単一の電極を共有し、第１酸素イオンポンプセルを形成する内側電極は酸素を解離する材料で形成され、第２酸素イオンポンプセルを形成する内側電極は特定ガスを解離する材料で形成されるとよい。

このガス濃度測定装置は、第１酸素イオンポンプセルを形成する外側電極と第２酸素イオンポンプセルを形成する外側電極とを同一の外側電極で形成し、また、第１酸素イオンポンプセルを形成する内側電極と第２酸素イオンポンプセルを形成する内側電極とをそれぞれ異なる材料で形成することに特徴がある。

まず、外側電極を第１酸素イオンポンプセルと第２酸素イオンポンプセルとで共用することにより、装置の構成を簡略化でき、当該装置のうちセンサ素子部の小型化を図ることができ、センサ素子部の設置スペースに関する制約を少なくすることができる。この結果、従来よりも被測定ガス室への被測定ガスの導入が良好となる位置に対して、センサ素子部を容易に配置することができ、より確実に特定ガスを被測定ガス室に導入することが可能となる。

また、第１酸素イオンポンプセルの内側電極と第２酸素イオンポンプセルの内側電極とをそれぞれ異なる材料で形成することで、第１酸素イオンポンプセルにて解離するガスと第２酸素イオンポンプセルにて解離するガスとを、それぞれ異なる種類のガスに設定することができる。つまり、第１酸素イオンポンプセルが被測定ガス中の酸素を汲み出すにあたり、特定ガスまでも汲み出してしまうのを抑制することができ、第１酸素イオンポンプセルによって被測定ガス室から特定ガスが汲み出されるのを抑制できる。

これにより、第１酸素イオンポンプセルにより被測定ガス中の酸素を適切に汲み出すと共に、第２酸素イオンポンプセルにより被測定ガス中の特定ガスを適切に検出できるため、特定ガスの測定時に第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくすることができ、被測定ガス中の特定ガスの濃度を精度良く検出できる。

よって、本発明によれば、センサ素子部の小型化によりセンサ素子部の設置スペースに関する制約を少なくすることで、より確実に特定ガスを被測定ガス室に導入できると共に、第２酸素イオンポンプセルにより特定ガスを適切に検出できるため、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値を大きくすることができる。これにより、本発明のガス濃度測定装置は、特定ガス濃度が低い被測定ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつ特定ガスの濃度を測定することができ、特定ガスの検出精度を向上できる。

なお、上述（請求項３）のガス濃度測定装置においては、請求項４に記載のように、第１酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第１ポンプセル用電源手段と、第１ポンプセル用電源手段の電圧印加により第１酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第１通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第１スイッチング手段を備え、制御手段は、特定ガスの濃度検出時には、第２通電経路を接続状態に設定すると共に第１通電経路を遮断状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外には、第２通電経路を遮断状態に設定すると共に第１通電経路を通電状態に設定するように、第２スイッチング手段および第１スイッチング手段を制御するとよい。

このガス濃度測定装置は、第１スイッチング手段、第２スイッチング手段および制御手段を備えており、特定ガスの濃度検出時には第２通電経路を接続状態に設定すると共に第１通電経路を遮断状態に設定し、特定ガスの濃度検出時以外には第２通電経路を遮断状態に設定すると共に第１通電経路を通電状態に設定する。

ところで、一般に、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度は低いことから、従来のように第２酸素イオンポンプセルに対する電圧印加を常時実行する場合には、第２酸素イオンポンプセルに流れる電流値としては微小な検出値（電流値）しか検出できないため、ノイズなどの影響を受けやすくなり、検出精度が低下する傾向がある。

そこで、上述（請求項１から請求項４のいずれか）のガス濃度測定装置においては、請求項５に記載のように、被測定ガスが内燃機関の排気ガスであるとよい。

つまり、被測定ガスが内燃機関の排気ガスであり、特定ガスがＮＯｘである用途において、本発明を適用することにより、ＮＯｘを精度良く検出でき、ＮＯｘ検出精度を向上できるという本発明に特有の作用効果をより一層発揮させることができる。

以下に、本発明の実施の形態を図面と共に説明する。
まず、本発明のＮＯｘ濃度測定装置１について、図１に示す概略構成図を用いて説明する。なお、このＮＯｘ濃度測定装置１は、自動車の内燃機関やボイラ等の各種燃焼機器において、当該燃焼機器の排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する用途に用いられる。

なお、ＮＯｘは、Ｏ₂よりも解離電圧が高いという特性があり、また、酸素イオンを含む組成のガスである。
ＮＯｘ濃度測定装置１は、ＮＯｘガスセンサ素子部２と、測定制御部３と、検知セル用電源部３１と、第１ポンプセル用電源部３３と、第２ポンプセル用電源部３５と、第１スイッチング部３７と、第２スイッチング部３９と、を備えている。

測定制御部３は、マイクロコンピュータ（マイコン）や信号入出力部などを備えており、各種制御処理を実行することにより、ＮＯｘガスセンサ素子部２（具体的には、後述する第２抵抗素子６３）に流れる電流値に基づいて、被測定ガス（排気ガス）中のＮＯｘガス濃度を測定する。

ＮＯｘガスセンサ素子部２は、被測定ガス室１１と、酸素濃度検知セル１３と、共用酸素イオンポンプセル１５と、ガス拡散抵抗部１９と、絶縁層２１と、基体層２２と、を備えている。なお、図１では、ＮＯｘガスセンサ素子部２については、内部構成を表す概略構成図として示している。

共用酸素イオンポンプセル１５は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第１固体電解質層２３と、第１固体電解質層２３の表面に形成された一対の第１多孔質電極２９と、を備えて形成されている。第１多孔質電極２９は、第１固体電解質層２３を挟み込むように配置された第１内側電極２５および第１外側電極２７からなり、第１内側電極２５は白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）で形成されており、第１外側電極２７は白金（Ｐｔ）で形成されている。なお、第１内側電極２５は、第１固体電解質層２３のうち被測定ガス室１１に接する面に形成されている。

酸素濃度検知セル１３は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第２固体電解質層５３と、第２固体電解質層５３の表面に形成された一対の検知セル用多孔質電極５９と、を備えて形成されている。一対の検知セル用多孔質電極５９は、第２固体電解質層５３を挟み込むように配置された検知電極５５および基準電極５７からなり、検知電極５５は白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）で形成されており、基準電極５７は白金（Ｐｔ）で形成されている。なお、検知電極５５は、第２固体電解質層５３のうち被測定ガス室１１に接する面に形成されている。

被測定ガス室１１は、第１固体電解質層２３、第２固体電解質層５３、ガス拡散抵抗部１９、絶縁層２１に囲まれて形成されており、多孔質物質からなるガス拡散抵抗部１９を介して、排気ガス（被測定ガス）が導入される。

絶縁層２１は、絶縁性材料（例えば、アルミナなど）を主体として形成されており、第１固体電解質層２３と第２固体電解質層５３との間に備えられる。
基体層２２は、酸素イオン伝導性を有する材料（例えば、ジルコニアなど）からなり、基準電極５７を覆うように形成されている。

また、ＮＯｘ濃度測定装置１は、共用酸素イオンポンプセル１５と第１ポンプセル用電源部３３との間の第１通電経路に直列に接続された第１抵抗素子６１と、共用酸素イオンポンプセル１５と第２ポンプセル用電源部３５との間の第２通電経路に直列に接続された第２抵抗素子６３と、を備える。また、ＮＯｘ濃度測定装置１は、第１内側電極２５とグランドとの間に直列接続される第３抵抗素子６５と、検知電極５５とグランドとの間に直列接続される第４抵抗素子６７と、基準電極５７とグランドとの間に直列接続される第５抵抗素子６９と、を備える。

なお、第１通電経路は、第１ポンプセル用電源部３３の電圧印加により共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流（第１電流Ｉｐ１）の通電経路であり、第２通電経路は、第２ポンプセル用電源部３５の電圧印加により共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流（第２電流Ｉｐ２）の通電経路である。

検知セル用電源部３１は、第５抵抗素子６９、酸素濃度検知セル１３、第４抵抗素子６７からなる電流経路に直列接続されており、第５抵抗素子６９および第４抵抗素子６７を介して酸素濃度検知セル１３に対して電圧印加を行う。

第１ポンプセル用電源部３３は、第１抵抗素子６１、第１スイッチング部３７、共用酸素イオンポンプセル１５、第３抵抗素子６５からなる電流経路に直列接続されており、被測定ガス室における酸素濃度に応じて定められる電圧値の電圧を、共用酸素イオンポンプセル１５に対して印加する。なお、第１ポンプセル用電源部３３は、比較回路７１と基準電源７３とを備えている。そして、比較回路７１は、基準電源７３の出力電圧値（目標電圧値）と酸素濃度検知セル１３の基準電極５７の電位Ｖｓとを比較し、その比較結果に応じた電圧値の第１印加電圧Ｖｐ１を出力する。

なお、基準電源７３の出力電圧値（目標電圧値）は、被測定ガス室１１における酸素濃度が目標濃度であるときの基準電極５７の電位と等しい電圧値が設定される。ここで、酸素濃度の目標濃度とは、被測定ガス（排気ガス）から特定ガス（ＮＯｘ）を検出するのに適した酸素濃度である。

そして、第１ポンプセル用電源部３３は、被測定ガス室１１における酸素濃度を目標濃度に調整するために、第１印加電圧Ｖｐ１の電圧値を設定している。つまり、第１ポンプセル用電源部３３は、基準電極５７の電位Ｖｓに基づき被測定ガス室１１における酸素濃度が目標濃度よりも大きいと判定する場合には、被測定ガス室１１から酸素を汲み出すことができる電圧値に第１印加電圧Ｖｐ１を設定し、基準電極５７の電位Ｖｓに基づき被測定ガス室１１における酸素濃度が目標濃度よりも小さいと判定する場合には、被測定ガス室１１に酸素を供給できる（汲み入れる）電圧値に第１印加電圧Ｖｐ１を設定する。

第２ポンプセル用電源部３５は、第２抵抗素子６３、第２スイッチング部３９、共用酸素イオンポンプセル１５、第３抵抗素子６５からなる電流経路に直列接続されており、共用酸素イオンポンプセル１５に対して電圧印加を行う。

なお、第１ポンプセル用電源部３３が出力する第１印加電圧Ｖｐ１は、共用酸素イオンポンプセル１５においてＯ₂を解離できる電圧値に設定され、第２ポンプセル用電源部３５が出力する第２印加電圧Ｖｐ２は、共用酸素イオンポンプセル１５においてＮＯｘを解離できる電圧値に設定される。そして、Ｏ₂の解離に必要なエネルギは、ＮＯｘの解離に必要なエネルギよりも小さいことから、第１印加電圧Ｖｐ１は第２印加電圧Ｖｐ２よりも小さい電圧値に設定される。

第１スイッチング部３７は、共用酸素イオンポンプセル１５と第１ポンプセル用電源部３３との間の第１通電経路に直列接続され、この第１通電経路を接続状態または遮断状態に切り替える。第２スイッチング部３９は、共用酸素イオンポンプセル１５と第２ポンプセル用電源部３５との間の第２通電経路に直列接続され、この第２通電経路を接続状態または遮断状態に切り替える。

測定制御部３は、第１スイッチング部３７、第２スイッチング部３９を駆動制御して、共用酸素イオンポンプセル１５に対して第１印加電圧Ｖｐ１または第２印加電圧Ｖｐ２を印加することで、被測定ガス室１１における酸素濃度を調整する処理と、酸素が汲み出された（または、汲み入れられた）被測定ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を測定する処理と、を実行する。

次に、ＮＯｘ濃度測定装置１によるＮＯｘ濃度測定動作について、図２に示すフローチャートおよび図３に示す電流波形を用いて説明する。なお、図２は、ＮＯｘ濃度測定動作の処理内容を表すフローチャートであり、図３は、第２印加電圧Ｖｐ２の印加時に共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流（第２電流Ｉｐ２）の電流波形の一例である。

まず、ＮＯｘ濃度測定装置１によるＮＯｘ濃度測定動作が開始されると、Ｓ１１０（Ｓはステップを表す）では、自己生成電流Ｉｃｐを酸素濃度検知セル１３に通電する処理を実行する。具体的には、検知セル用電源部３１が出力する電圧を、第５抵抗素子６９および第４抵抗素子６７を介して酸素濃度検知セル１３に印加する処理を行う。検知セル用電源部３１の出力電圧を酸素濃度検知セル１３に印加することにより、自己生成電流Ｉｃｐが酸素濃度検知セル１３に通電される。

次のＳ１２０では、基準電極５７の電位Ｖｓを測定する処理を実行する。具体的には、第１ポンプセル用電源部３３が、基準電極５７と第５抵抗素子６９との接続点の電位（電位Ｖｓ）を測定する処理を実行する。

続くＳ１３０では、基準電極５７の電位Ｖｓと目標電圧値とを比較し、比較結果に基づいて第１印加電圧Ｖｐ１の電圧値を設定する処理を実行する。具体的には、第１ポンプセル用電源部３３の比較回路７１が、基準電極５７の電位Ｖｓと基準電源７３の出力電圧値（目標電圧値）とを比較し、比較結果に基づき第１印加電圧Ｖｐ１の電圧値を設定し、設定された第１印加電圧Ｖｐ１を出力する処理を実行する。

つまり、第１ポンプセル用電源部３３は、被測定ガス室１１における酸素濃度を目標濃度に調整するように、第１印加電圧Ｖｐ１を設定している。
次のＳ１４０では、第１印加電圧Ｖｐ１の印加時期であるか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ１５０に移行し、否定判定する場合にはＳ１８０に移行する。

なお、印加時期であるか否かの判断は、例えば、時間経過に基づいて判断することができる。具体例としては、第１印加電圧Ｖｐ１の印加時期（第１印加時期Ｔ１）と第２印加電圧Ｖｐ２の印加時期（第２印加時期Ｔ２）とを交互に繰り返すタイムスケジュールを予め別途設定しておき、タイムスケジュールに基づいて現在時刻が第１印加時期Ｔ１と判定される場合には肯定判定し、現在時刻が第１印加時期Ｔ１ではないと判定される場合には否定判定する処理を挙げることができる。

なお、Ｓ１４０からＳ２２０までの処理は、測定制御部３の内部で実行される演算処理として実現される。
Ｓ１４０で肯定判定されてＳ１５０に移行すると、Ｓ１５０では、第１スイッチング部３７をオン状態（接続状態）に設定し、第２スイッチング部３９をオフ状態（遮断状態）に設定する処理を行う。具体的には、測定制御部３が、第１スイッチング部３７および第２スイッチング部３９に対してそれぞれ駆動制御信号を出力して、各スイッチング部の状態を設定する。

これにより、第１ポンプセル用電源部３３から出力される第１印加電圧Ｖｐ１が、第１抵抗素子６１および第３抵抗素子６５を介して、共用酸素イオンポンプセル１５に印加される（Ｓ１６０）。これにより、共用酸素イオンポンプセル１５は、印加される電圧値に応じて被測定ガス室１１の酸素を汲み出し（または、汲み入れ）、被測定ガス室１１の酸素濃度を目標濃度に近づける。

次のＳ１７０では、第１抵抗素子６１に流れる電流（第１電流Ｉｐ１）を測定する処理を行う。具体的には、第１抵抗素子６１の両端電圧を検出し、検出した両端電圧値と第１抵抗素子６１の抵抗値に基づいて、第１電流Ｉｐ１を測定する。

なお、本実施形態では、補償のために、第１電流Ｉｐ１を測定して、被測定ガス室１１の酸素の汲み出し（または汲み入れ）量を測定している。
なお、測定制御部３は、図示しない信号経路を介して、第１抵抗素子６１の両端電圧および第２抵抗素子６３の両端電圧が入力されている。

他方、Ｓ１４０で否定判定されてＳ１８０に移行すると、Ｓ１８０では、第１スイッチング部３７をオフ状態（遮断状態）に設定し、第２スイッチング部３９をオン状態（接続状態）に設定する処理を行う。具体的には、測定制御部３が、第１スイッチング部３７および第２スイッチング部３９に対してそれぞれ駆動制御信号を出力して、第１スイッチング部３７および第２スイッチング部３９の状態を設定する。

これにより、第２ポンプセル用電源部３５から出力される第２印加電圧Ｖｐ２が、第２抵抗素子６３および第３抵抗素子６５を介して、共用酸素イオンポンプセル１５に印加される（Ｓ１９０）。そして、共用酸素イオンポンプセル１５には、被測定ガス室１１のＮＯｘ濃度に応じた電流が流れる。

次のＳ２００では、第２抵抗素子６３に流れる電流（第２電流Ｉｐ２）を測定する処理を行う。具体的には、第２抵抗素子６３の両端電圧を検出し、検出した両端電圧値と第２抵抗素子６３の抵抗値に基づいて、第２電流Ｉｐ２を測定する。

続くＳ２１０では、第２電流Ｉｐ２の測定値を積分する処理を行う。
ここで、第２電流Ｉｐ２の測定波形の一例を、図３に示す。なお、図３では、第２印加時期Ｔ２を「ＮＯｘ測定時間」と記載しており、第２印加時期Ｔ２以外の時間帯が第１印加時期Ｔ１に相当する。

そして、第２電流Ｉｐ２の積分値は、図３のうち電流波形と横軸（時間軸）とで囲まれる斜線部分の面積に相当しており、被測定ガス室１１に存在するＮＯｘの量に比例することから、被測定ガス（排気ガス）のＮＯｘ濃度に応じた値を示す。

次のＳ２２０では、Ｓ２１０で演算した第２電流Ｉｐ２の積分値を被測定ガス（排気ガス）のＮＯｘ濃度に換算する処理を行う。具体的には、第２電流Ｉｐ２の積分値と被測定ガス（排気ガス）のＮＯｘ濃度との対応関係を表すマップ、あるいは第２電流Ｉｐ２の積分値を代入することで被測定ガス（排気ガス）のＮＯｘ濃度を算出する計算式などを用いて、第２電流Ｉｐ２の積分値に基づいて被測定ガス（排気ガス）のＮＯｘ濃度を算出する処理を行う。

Ｓ１７０またはＳ２２０の処理が終了すると、再びＳ１２０に移行する。そして、Ｓ１２０からＳ２２０までの処理が繰り返し実行されることで、ＮＯｘ濃度を測定する処理が実行される。

なお、ＮＯｘ濃度測定装置１においては、共用酸素イオンポンプセル１５が特許請求の範囲に記載の第１酸素イオンポンプセルおよび第２酸素イオンポンプセルに相当し、第１ポンプセル用電源部３３が第１ポンプセル用電源手段に相当し、第２ポンプセル用電源部３５が第２ポンプセル用電源手段に相当し、第１スイッチング部３７が第１スイッチング手段に相当し、第２スイッチング部３９が第２スイッチング手段に相当し、測定制御部３が制御手段に相当する。

以上説明したように、ＮＯｘ濃度測定装置１は、第２スイッチング部３９および測定制御部３を備えており、ＮＯｘ濃度検出時は、共用酸素イオンポンプセル１５と第２ポンプセル用電源部３５との間の第２通電経路を接続状態に設定し、ＮＯｘの濃度検出時以外は第２通電経路を遮断状態に設定する。

つまり、ＮＯｘ濃度測定装置１は、第２ポンプセル用電源部３５による共用酸素イオンポンプセル１５への電圧印加を常時行うのではなく、ＮＯｘ濃度検出時には共用酸素イオンポンプセル１５への第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を行い、ＮＯｘ濃度検出時以外には共用酸素イオンポンプセル１５への第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を行わないように構成されている。

これにより、第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を行わない時間帯（測定停止時間帯）においては、被測定ガス室１１の中の特定ガス（ＮＯｘ）が汲み出されることが無いため、被測定ガス室１１に存在する特定ガスが減少することがない。

なお、従来のように、第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を常時行う場合には、被測定ガス室１１に存在する特定ガス（ＮＯｘ）が汲み出されると共に、ガス拡散抵抗部１９により外部から被測定ガス室１１への特定ガス（ＮＯｘ）の流入が制限されることから、被測定ガス室１１に存在する特定ガス（ＮＯｘ）の濃度は、外部の被測定ガスにおける特定ガスの濃度に比べて低くなる。

これに対して、本実施形態では、測定停止時間帯においては、被測定ガス室１１の中の特定ガス（ＮＯｘ）が汲み出されることが無い。よって、外部から被測定ガス室１１への特定ガス（ＮＯｘ）の流入がガス拡散抵抗部１９により制限されるものの、被測定ガス室１１における特定ガス（ＮＯｘ）の濃度は、第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を開始する時点までに、外部の被測定ガスにおける特定ガス（ＮＯｘ）の濃度に近づくことになる。

そして、第２印加電圧Ｖｐ２の電圧印加を行う時間帯（測定実行時間帯）においては、測定停止時間帯に被測定ガス室１１に蓄積された特定ガスの量に応じて、共用酸素イオンポンプセル１５に電流が流れることになる。

なお、従来のように、常時、第２電流Ｉｐ２を測定する場合には、被測定ガス室１１に存在するＮＯｘが微量となるため時間経過に伴う第２電流Ｉｐ２の変位量が小さくなり、時間経過に伴うＮＯｘ濃度の変化を検出する際にノイズの影響を受けやすく、検出精度が低下してしまう。

これに対して、本実施形態のＮＯｘ濃度測定装置１によれば、図３に示すように、時間経過に伴う第２電流Ｉｐ２の変位量が大きくなるため、時間経過に伴うＮＯｘ濃度の変化を精度良く検出することができる。つまり、被測定ガス室１１における特定ガス（ＮＯｘ）は、従来のように特定ガス濃度の測定を常時行う場合に比べて、濃度が高くなるため、ＮＯｘ濃度が低い排気ガスであっても、従来に比べて被測定ガス室１１におけるＮＯｘ濃度を高めることができ、共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流値を大きくすることができる。

このように、ＮＯｘ測定時に共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流値を大きくすることで、ノイズなどの影響による第２電流Ｉｐ２の検出誤差を低減でき、特定ガス（ＮＯｘ）の検出精度の低下を抑制することができる。

よって、ＮＯｘ濃度測定装置１は、ＮＯｘ測定時期を常時ではなく、限られた時間に限定することで、ＮＯｘが微量ずつ消費されるのを防止でき、検出時の電流値を大きくできることから、ＮＯｘ濃度が低い排気ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつＮＯｘ濃度を測定することができ、特定ガス（ＮＯｘ）の検出精度を向上できる。

また、ＮＯｘ濃度測定装置１は、被測定ガス室１１が１室で構成されており、被測定ガス室１１から酸素を汲み出すためのポンプセルと被測定ガス室１１からＮＯｘを汲み出すためのポンプセルとが、同一の共用酸素イオンポンプセル１５で構成されている。

つまり、酸素を汲み出すためのポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体と、ＮＯｘを汲み出すためのポンプセルを形成する酸素イオン伝導性固体電解質体とが、同一の酸素イオン伝導性固体電解質体（第１固体電解質層２３）で形成されている。また、酸素を汲み出すためのポンプセルを形成する一対の多孔質電極と、ＮＯｘを汲み出すためのポンプセルを形成する一対の多孔質電極とが、同一の一対の第１多孔質電極２９で形成されている。

このように、単一の共用酸素イオンポンプセル１５を、酸素を汲み出すためのポンプセルおよびＮＯｘを汲み出すためのポンプセルとして共用すると共に、被測定ガス室１１を１室にすることにより、ＮＯｘガスセンサ素子部２の小型化を図ることができる。これにより、ＮＯｘガスセンサ素子部２の設置スペースに関する制約を少なくすることができ、従来の設置位置に比べて被測定ガス室１１への排気ガスの導入が良好となる位置に対して、ＮＯｘガスセンサ素子部２を容易に配置することができ、より確実に特定ガス（ＮＯｘ）を被測定ガス室１１に導入することが可能となる。

よって、ＮＯｘ濃度測定装置１は、より確実に特定ガス（ＮＯｘ）を被測定ガス室１１に導入できることから、ＮＯｘ測定時に共用酸素イオンポンプセル１５に流れる電流値を大きくすることができ、ＮＯｘ濃度が低い排気ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつ特定ガスの濃度を測定することができ、特定ガス（ＮＯｘ）の検出精度を向上できる。

また、ＮＯｘ濃度測定装置１は、第１スイッチング部３７、第２スイッチング部３９および測定制御部３を備えており、ＮＯｘ濃度検出時（Ｓ１４０で否定判定時）には第２通電経路を接続状態に設定すると共に第１通電経路を遮断状態に設定し、ＮＯｘ濃度検出時以外（Ｓ１４０で肯定判定時）には第２通電経路を遮断状態に設定すると共に第１通電経路を通電状態に設定する。

これにより、単一の一対の第１多孔質電極２９を酸素を汲み出すためのポンプセルおよびＮＯｘを汲み出すためのポンプセルで共用する構成においても、排気ガス中の酸素を適切に汲み出すことができると共に、ＮＯｘ濃度に応じた電流値を検出することができる。

また、一般に、内燃機関の排気ガス中のＮＯｘ濃度は低いが、本実施形態のＮＯｘ濃度測定装置１は、排気ガス中のＮＯｘ濃度に応じた第２電流Ｉｐ２を精度良く検出することができ、ノイズなどの影響を抑えて、ＮＯｘ検出精度の向上を図ることができる。

さらに、単一の共用酸素イオンポンプセル１５を、酸素を汲み出すためのポンプセルおよびＮＯｘを汲み出すためのポンプセルとして共用することで、センサ素子部に備えられる電極数を削減でき、センサ素子部に接続するリード線の本数を削減できる。このようにリード線の本数を削減することで、センサ素子部に繋がるリード線の配設作業が容易となり、また、センサ素子の設置スペースの制約をさらに少なくすることができる。また、単一の共用酸素イオンポンプセル１５を共用する構成とすることで、センサ素子部の構造を簡略化できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、種々の態様をとることができる。
例えば、上記の実施形態（以下、第１実施形態ともいう）では、酸素を汲み出すための内側電極と特定ガス（ＮＯｘ）を検出するための内側電極とを単一の第１内側電極２５を共用して備える構成であったが、酸素を汲み出すための内側電極と特定ガス（ＮＯｘ）を検出するための内側電極とをそれぞれ別に備えてもよい。

そこで、第２実施形態として、酸素を汲み出すための第２内側電極１２５と、特定ガス（ＮＯｘ）を検出するための第３内側電極１２６とを備える第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１について説明する。

図４に、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１の概略構成図を示す。なお、第２実施形態は、第１実施形態と比べて、内側電極の個数、スイッチング部の個数、測定制御部３によるスイッチング駆動制御処理が異なり、その他の構成要素については同様であることから、異なる部分を中心に説明し、同一の構成については同一符号を用いて表す。

第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２と、測定制御部３と、検知セル用電源部３１と、第１ポンプセル用電源部３３と、第２ポンプセル用電源部３５と、第１スイッチング部３７と、第２スイッチング部３９と、第３スイッチング部１３７と、第４スイッチング部１３９と、を備えている。

第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２は、被測定ガス室１１と、酸素濃度検知セル１３と、第１酸素イオンポンプセル１１５と、第２酸素イオンポンプセル１１６と、ガス拡散抵抗部１９と、絶縁層２１と、基体層２２と、を備えている。なお、図４では、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２については、内部構成を表す概略構成図として示している。

第１酸素イオンポンプセル１１５は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第１固体電解質層２３と、第１固体電解質層２３の表面に形成された一対の酸素用多孔質電極１２９と、を備えて形成されている。

酸素用多孔質電極１２９は、第１固体電解質層２３を挟み込むように配置された第２内側電極１２５および共用外側電極１２７からなり、第２内側電極１２５は白金（Ｐｔ）および金（Ａｕ）で形成されており、共用外側電極１２７は白金（Ｐｔ）で形成されている。なお、第２内側電極１２５は、第１固体電解質層２３のうち被測定ガス室１１に接する面に形成されている。

第２酸素イオンポンプセル１１６は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアからなる第１固体電解質層２３と、第１固体電解質層２３の表面に形成された一対の特定ガス用多孔質電極１３０と、を備えて形成されている。

特定ガス用多孔質電極１３０は、第１固体電解質層２３を挟み込むように配置された第３内側電極１２６および共用外側電極１２７からなり、第３内側電極１２６は白金（Ｐｔ）で形成されており、共用外側電極１２７は白金（Ｐｔ）で形成されている。なお、第３内側電極１２６は、第１固体電解質層２３のうち被測定ガス室１１に接する面に形成されている。

また、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、第２内側電極１２５からグランドに至る電流経路に直列接続される第６抵抗素子１３８と、第３内側電極１２６からグランドに至る電流経路に直列接続される第７抵抗素子１４０と、を備える。

第３スイッチング部１３７は、第１酸素イオンポンプセル１１５と第６抵抗素子１３８との間の第１通電経路に直列接続され、この第１通電経路を接続状態または遮断状態に切り替える。なお、第３スイッチング部１３７は、測定制御部３からの指令に基づき、第１スイッチング部３７と同様に接続状態または遮断状態に駆動制御される。

第４スイッチング部１３９は、第２酸素イオンポンプセル１１６と第７抵抗素子１４０との間の第２通電経路に直列接続され、この第２通電経路を接続状態または遮断状態に切り替える。なお、第４スイッチング部１３９は、測定制御部３からの指令に基づき、第２スイッチング部３９と同様に接続状態または遮断状態に駆動制御される。

なお、第１通電経路は、第１ポンプセル用電源部３３の電圧印加により第１酸素イオンポンプセル１１５に流れる電流（第１電流Ｉｐ１）の通電経路であり、第２通電経路は、第２ポンプセル用電源部３５の電圧印加により第２酸素イオンポンプセル１１６に流れる電流（第２電流Ｉｐ２）の通電経路である。

測定制御部３は、第１スイッチング部３７、第２スイッチング部３９、第３スイッチング部１３７、第４スイッチング部１３９を駆動制御して、第１酸素イオンポンプセル１１５に対して第１印加電圧Ｖｐ１を印加することで、被測定ガス室１１における酸素濃度を調整する処理と、第２酸素イオンポンプセル１１６に対して第２印加電圧Ｖｐ２を印加することで、酸素が汲み出された被測定ガス中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を測定する処理と、を実行する。

次に、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１によるＮＯｘ濃度測定動作について、図５に示すフローチャートを用いて説明する。
なお、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１によるＮＯｘ濃度測定動作のうちフローチャートにおけるＳ５１０〜Ｓ５４０、Ｓ５６０〜Ｓ５７０、Ｓ５９０〜Ｓ６２０の各ステップは、第１実施形態（ＮＯｘ濃度測定装置１）のフローチャートにおけるＳ１１０〜Ｓ１４０、Ｓ１６０〜Ｓ１７０、Ｓ１９０〜Ｓ２２０の各ステップにそれぞれ対応する。そこで、第１実施形態と処理内容が異なるステップであるＳ５５０およびＳ５８０を中心に説明する。

Ｓ５４０で肯定判定されてＳ５５０に移行すると、Ｓ５５０では、第１スイッチング部３７および第３スイッチング部１３７をオン状態（接続状態）に設定し、第２スイッチング部３９および第４スイッチング部１３９をオフ状態（遮断状態）に設定する処理を行う。具体的には、測定制御部３が、第１スイッチング部３７、第２スイッチング部３９、第３スイッチング部１３７および第４スイッチング部１３９に対してそれぞれ駆動制御信号を出力して、各スイッチング部の状態を設定する。

これにより、第１ポンプセル用電源部３３から出力される第１印加電圧Ｖｐ１が、第１抵抗素子６１および第６抵抗素子１３８を介して、第１酸素イオンポンプセル１１５に印加される（Ｓ５６０）。これにより、第１酸素イオンポンプセル１１５は、印加される電圧値に応じて被測定ガス室１１の酸素を汲み出し（または汲み入れ）、被測定ガス室１１の酸素濃度を目標濃度に近づける。

他方、Ｓ５４０で否定判定されてＳ５８０に移行すると、Ｓ５８０では、第１スイッチング部３７および第３スイッチング部１３７をオフ状態（遮断状態）に設定し、第２スイッチング部３９および第４スイッチング部１３９をオン状態（接続状態）に設定する処理を行う。具体的には、測定制御部３が、第１スイッチング部３７、第２スイッチング部３９、第３スイッチング部１３７および第４スイッチング部１３９に対してそれぞれ駆動制御信号を出力して、各スイッチング部の状態を設定する。

これにより、第２ポンプセル用電源部３５から出力される第２印加電圧Ｖｐ２が、第２抵抗素子６３および第３抵抗素子６５を介して、第２酸素イオンポンプセル１１６に印加される（Ｓ５９０）。そして、第２酸素イオンポンプセル１１６には、被測定ガス室１１のＮＯｘ濃度に応じた電流が流れる。

Ｓ５７０またはＳ６２０の処理が終了すると、再びＳ５２０に移行する。そして、Ｓ５２０からＳ６２０までの処理が繰り返し実行されることで、ＮＯｘ濃度を測定する処理が実行される。

つまり、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、４つのスイッチング部を駆動制御して、第１酸素イオンポンプセル１１５および第２酸素イオンポンプセル１１６に対して交互に電圧印加することで、酸素の汲み出し処理とＮＯｘ濃度の検出処理とを交互に行う動作（ＮＯｘ濃度測定動作）を実行する。

以上説明したように、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、第１酸素イオンポンプセル１１５を形成する外側電極と第２酸素イオンポンプセル１１６を形成する外側電極とが同一の共用外側電極１２７で形成され、第１酸素イオンポンプセル１１５を形成する第２内側電極１２５は酸素を解離する材料（白金（ＰＴ）および金（Ａｕ））で形成され、第２酸素イオンポンプセル１１６を形成する第３内側電極１２６は特定ガスを解離する材料（白金（Ｐｔ））で形成されている。

このように、共用外側電極１２７を第１酸素イオンポンプセル１１５と第２酸素イオンポンプセル１１６とで共用することにより、装置の構成を簡略化でき、当該装置のうち第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２の小型化を図ることができ、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２の設置スペースに関する制約を少なくすることができる。この結果、従来よりも被測定ガス室１１への被測定ガス（排気ガス）の導入が良好となる位置に対して、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２を容易に配置することができ、より確実に特定ガス（ＮＯｘ）を被測定ガス室１１に導入することが可能となる。

また、第１酸素イオンポンプセル１１５の第２内側電極１２５と第２酸素イオンポンプセル１１６の第３内側電極１２６とをそれぞれ異なる材料で形成することで、第１酸素イオンポンプセル１１５にて解離するガスと第２酸素イオンポンプセル１１６にて解離するガスとを、それぞれ異なる種類のガスに設定することができる。つまり、第１酸素イオンポンプセル１１５が被測定ガス（排気ガス）中の酸素を汲み出すにあたり、特定ガス（ＮＯｘ）までも汲み出してしまうのを抑制することができ、第１酸素イオンポンプセル１１５によって被測定ガス室１１から特定ガス（ＮＯｘ）が汲み出されるのを抑制することができる。

これにより、第１酸素イオンポンプセル１１５により被測定ガス（排気ガス）中の酸素を適切に汲み出すと共に、第２酸素イオンポンプセル１１６により被測定ガス（排気ガス）中の特定ガス（ＮＯｘ）を適切に検出できるため、ＮＯｘ測定時に第２酸素イオンポンプセル１１６に流れる電流値を大きくすることができ、排気ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出できる。

よって、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２の小型化により第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２の設置スペースに関する制約を少なくすることで、より確実に特定ガス（ＮＯｘ）を被測定ガス室１１に導入できると共に、第２酸素イオンポンプセル１１６により特定ガス（ＮＯｘ）を適切に検出できるため、第２酸素イオンポンプセル１１６に流れる電流値を大きくすることができる。これにより、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１は、ＮＯｘ濃度が低い排気ガスに対しても、ノイズの影響を抑えつつＮＯｘ濃度を測定することができ、ＮＯｘの検出精度を向上できる。

なお、第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１においては、第１酸素イオンポンプセル１１５が特許請求の範囲における第１酸素イオンポンプセルに相当し、第２酸素イオンポンプセル１１６が第２酸素イオンポンプセルに相当し、第１スイッチング部３７および第３スイッチング部１３７が第１スイッチング手段に相当し、第２スイッチング部３９および第４スイッチング部１３９が第２スイッチング手段に相当する。また、第２内側電極１２５が、特許請求の範囲における第１酸素イオンポンプセルの内側電極に相当し、第３内側電極１２６が第２酸素イオンポンプセルの内側電極に相当する。

次に、第３実施形態として、第１酸素イオンポンプセル１１５による酸素の汲み出しを常時行い、第２酸素イオンポンプセル１１６による特定ガス（ＮＯｘ）の検出を濃度検出時に限定して行う構成の第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１について説明する。

第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１は、第２ＮＯｘガスセンサ素子部１０２と、測定制御部３と、検知セル用電源部３１と、第１ポンプセル用電源部３３と、第２ポンプセル用電源部３５と、第２スイッチング部３９と、を備えている。これらの構成要素は、第２実施形態の第２ＮＯｘ濃度測定装置１０１に備えられる各構成要素と同様であることから説明を省略し、同一の構成要素については同一符号を用いて表す。

また、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１は、基準電源部２３１と、基準電圧比較回路２３３と、第１電流比較回路２３７と、第２電流比較回路２３９と、を備えている。
基準電源部２３１は、負極がグランドに接続され、正極が基準電圧比較回路２３３に接続されている。基準電源部２３１の出力電圧値は、共用外側電極１２７を予め定められた基準電位に設定するための電圧値である。

基準電圧比較回路２３３は、オペアンプで構成され、出力端子が共用外側電極１２７に接続され、反転入力端子（−）が自己の出力端子に接続され、非反転入力端子（＋）が基準電源部２３１の正極に接続されており、基準電源部２３１の出力電圧値（基準電圧値）と自己の出力電圧値とを比較して、その比較結果に応じた電圧値を出力する。つまり、基準電圧比較回路２３３は、共用外側電極１２７の電位を基準電源部２３１の出力電圧値（基準電圧値）と等しい電位に制御する。

第１電流比較回路２３７は、オペアンプで構成され、出力端子が第１抵抗素子６１を介して第２内側電極１２５に接続され、反転入力端子（−）が第２内側電極１２５に接続され、非反転入力端子（＋）が第１ポンプセル用電源部３３の出力端子に接続されている。そして、第１電流比較回路２３７は、第２内側電極１２５の電位と第１ポンプセル用電源部３３の第１印加電圧Ｖｐ１とを比較して、その比較結果に応じた電圧値を出力することにより、第２内側電極１２５の電位を第１ポンプセル用電源部３３の第１印加電圧Ｖｐ１と等しい電位に制御する。このとき、第１抵抗素子６１には、被測定ガス室１１からの酸素の汲み出しに伴い電流（第１電流Ｉｐ１）が流れ、その第１電流Ｉｐ１の積分値が被測定ガス室１１から汲み出した酸素量あるいは被測定ガス室１１に供給した酸素量に比例した値を示す。なお、第１電流Ｉｐ１の通電方向によって、被測定ガス室１１から酸素を汲み出したか、あるいは被測定ガス室１１に酸素を汲み入れたかを判断することができる。

第２電流比較回路２３９は、出力端子が第２抵抗素子６３および第２スイッチング部３９を介して第３内側電極１２６に接続され、反転入力端子（−）が第２スイッチング部３９を介して第３内側電極１２６に接続され、非反転入力端子（＋）が第２ポンプセル用電源部３５の出力端子に接続されている。そして、第２電流比較回路２３９は、第３内側電極１２６の電位と第２ポンプセル用電源部３５の第２印加電圧Ｖｐ２とを比較して、その比較結果に応じた電圧値を出力することにより、第３内側電極１２６の電位を第２ポンプセル用電源部３５の第２印加電圧Ｖｐ２と等しい電位に制御する。このとき、第２抵抗素子６３には、被測定ガス室１１からのＮＯｘの汲み出しに伴い電流（第２電流Ｉｐ２）が流れ、その第２電流Ｉｐ２の積分値が被測定ガス室１１から汲み出したＮＯｘ量に比例した値を示す。

第２スイッチング部３９は、第２酸素イオンポンプセル１１６と第２電流比較回路２３９との間の第２通電経路に直列接続され、この第２通電経路を接続状態または遮断状態に切り替える。なお、第２通電経路は、電圧印加により第２酸素イオンポンプセル１１６に流れる電流（第２電流Ｉｐ２）の通電経路である。

測定制御部３は、第２スイッチング部３９を駆動制御して、第２酸素イオンポンプセル１１６に対して第２印加電圧Ｖｐ２を印加することで、被測定ガス室１１において酸素が汲み出された被測定ガス（排気ガス）中の特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を測定する処理を実行する。

次に、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１によるＮＯｘ濃度測定動作について、図７に示すフローチャートを用いて説明する。
なお、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１によるＮＯｘ濃度測定動作のうちフローチャートにおけるＳ７１０〜Ｓ７３０、Ｓ７４０〜Ｓ７５０、Ｓ７８０〜Ｓ８１０の各ステップは、第１実施形態（ＮＯｘ濃度測定装置１）のフローチャートにおけるＳ１１０〜Ｓ１３０、Ｓ１６０〜Ｓ１７０、Ｓ１９０〜Ｓ２２０の各ステップにそれぞれ対応する。そこで、第１実施形態と処理内容が異なるステップであるＳ７６０およびＳ７７０を中心に説明する。

Ｓ７６０では、第２印加電圧Ｖｐ２の印加時期であるか否かを判断しており、肯定判定する場合にはＳ７７０に移行し、否定判定する場合にはＳ７２０に移行する。
なお、印加時期であるか否かの判断は、例えば、時間経過に基づいて判断することができる。具体例としては、第２印加電圧Ｖｐ２の印加停止時期（印加停止時期Ｔ３）と第２印加電圧Ｖｐ２の印加時期（第２印加時期Ｔ２）とを交互に繰り返すタイムスケジュールを予め設定しておき、タイムスケジュールに基づいて現在時刻が第２印加時期Ｔ２と判定される場合には肯定判定し、現在時刻が印加停止時期Ｔ３と判定される場合には否定判定する処理を挙げることができる。

なお、Ｓ７６０からＳ８１０までの処理は、測定制御部３の内部で実行される演算処理として実現される。
Ｓ７７０では、第２スイッチング部３９をオン状態（接続状態）に設定する処理を行う。具体的には、測定制御部３が、第２スイッチング部３９に対して駆動制御信号を出力して、スイッチング部の状態を設定する。

なお、Ｓ８１０での処理が終了するかＳ７６０で否定判定されると、再びＳ７２０に処理が移行する。そして、Ｓ７２０からＳ８１０までの処理が繰り返し実行されることで、ＮＯｘ濃度を測定する処理が実行される。

つまり、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１は、第１酸素イオンポンプセル１１５による酸素の汲み出しを常時行いつつ、第２スイッチング部３９を駆動制御して、第２酸素イオンポンプセル１１６に対する電圧印加タイミングと電圧印加停止タイミングとを交互に設定することで、ＮＯｘ検出時に限定して、第２酸素イオンポンプセル１１６に対する電圧印加を行うＮＯｘ濃度測定動作を実行する。

以上説明したように、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１は、第１酸素イオンポンプセル１１５による被測定ガス室１１からの酸素の汲み出しを常時実施しつつ、ＮＯｘ検出時に限定して第２酸素イオンポンプセル１１６によるＮＯｘの検出を行うように構成されている。

なお、被測定ガス室１１への被測定ガス（排気ガス）の導入は常時行われるため、被測定ガス室１１への酸素の供給は常時行われており、第１実施形態のように、酸素の汲み出し処理（換言すれば、第１印加電圧Ｖｐ１の印加処理）を断続的に行う場合には、第１印加電圧Ｖｐ１の印加時と未印加時とで被測定ガス室１１における酸素濃度が異なる値となることがあり、ＮＯｘの検出誤差の要因になる虞ある。

これに対して、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１は、被測定ガス室１１からの酸素の汲み出しを常時行うことで酸素濃度の変動量を抑制でき、被測定ガス室１１における酸素濃度の変動に起因してＮＯｘ濃度検出における検出精度が低下することを抑制できる。

なお、第３ＮＯｘ濃度測定装置２０１においては、第１酸素イオンポンプセル１１５が特許請求の範囲に記載の第１酸素イオンポンプセルおよび第２酸素イオンポンプセルに相当し、第１ポンプセル用電源部３３、基準電源部２３１、基準電圧比較回路２３３、第１電流比較回路２３７が第１ポンプセル用電源手段に相当し、第２ポンプセル用電源部３５、基準電源部２３１、基準電圧比較回路２３３、第２電流比較回路２３９が第２ポンプセル用電源手段に相当する。

以上、３つの実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々の態様をとることができる。
例えば、センサ素子部は、被測定ガス室を１室のみ備える構成に限られることはなく、被測定ガス室を２室備える構成であってもよい。つまり、被測定ガス室が２室構造のセンサ素子部であっても、特定ガスを検出するための第２酸素イオンポンプセルへの通電時期と通電停止時期を交互に設定することで、特定ガス濃度の低い被測定ガスにおいても、精度良く特定ガス濃度を測定することができる。

また、基準電源７３の出力電圧値（目標電圧値）は、固定値に限られることはなく、各種条件（被測定ガスの種類や被測定ガスの温度など）に応じて電圧値を設定してもよい。
さらに、酸素濃度検知セル１３の基準電極５７の電位Ｖｓの検出処理と第１印加電圧Ｖｐ１の電圧値設定処理は、第１ポンプセル用電源部３３のような電気回路で実行する場合に限られることはなく、各処理を測定制御部３で実行するように構成しても良い。つまり、第１ポンプセル用電源部３３を取り除き、測定制御部３に対して基準電極５７の電位Ｖｓを入力すると共に、測定制御部３が第１印加電圧Ｖｐ１を出力するように構成して、測定制御部３の内部処理として、基準電極５７の電位Ｖｓの検出処理および第１印加電圧Ｖｐ１の電圧値設定処理を実行するのである。これにより、第１ポンプセル用電源部３３の設置スペースを削減でき、ＮＯｘ濃度測定装置の小型化を図ることができる。

また、第１実施形態および第２実施形態における第１印加電圧Ｖｐ１の印加時期であるか否かの判断ステップ（Ｓ１４０、Ｓ５４０）、および第３実施形態の第２印加電圧Ｖｐ２の印加時期であるか否かの判断ステップ（Ｓ７６０）は、予めタイムスケジュールを設定しておく態様に限られることはなく、第１電流Ｉｐ１に基づいて判断してもよい。

たとえば、被測定ガス室１１の酸素濃度が所定濃度となるときの電流値を判定用閾値として設定し、第１電流Ｉｐ１がその判定用閾値以下になった時（酸素濃度が所定濃度以下となった時）に印加時期であると判断し、第２印加電圧Ｖｐ２を印加してもよい。

また、スイッチング部の駆動制御処理や電流検出処理などの各種制御処理は、測定制御部３での内部処理として実行されるものに限られることはなく、電気回路などで構築してもよい。つまり、ＮＯｘ濃度測定装置は、一部の制御処理をマイコンで行い、その他の制御処理を電気回路で行う構成とすることも可能である。

ＮＯｘガス濃度測定装置の概略構成図である。ＮＯｘガス濃度測定装置によるＮＯｘ濃度測定動作の処理内容を表すフローチャートである。第２印加電圧Ｖｐ２の印加時に共用酸素イオンポンプセルに流れる第２電流Ｉｐ２の電流波形の一例である。第２ＮＯｘガス濃度測定装置の概略構成図である。第２ＮＯｘガス濃度測定装置によるＮＯｘ濃度測定動作の処理内容を表すフローチャートである。第３ＮＯｘガス濃度測定装置の概略構成図である。第３ＮＯｘガス濃度測定装置によるＮＯｘ濃度測定動作の処理内容を表すフローチャートである。

符号の説明

１…ＮＯｘ濃度測定装置、２…ＮＯｘガスセンサ素子部、３…測定制御部、１１…被測定ガス室、１３…酸素濃度検知セル、１５…共用酸素イオンポンプセル、２３…第１固体電解質層、２５…第１内側電極、２７…第１外側電極、２９…第１多孔質電極、３１…検知セル用電源部、３３…第１ポンプセル用電源部、３５…第２ポンプセル用電源部、３７…第１スイッチング部、３９…第２スイッチング部、１０１…第２ＮＯｘ濃度測定装置、１０２…第２ＮＯｘガスセンサ素子部、１１５…第１酸素イオンポンプセル、１１６…第２酸素イオンポンプセル、１２５…第２内側電極、１２６…第３内側電極、１２７…共用外側電極、１２９…酸素用多孔質電極、１３０…特定ガス用多孔質電極、１３７…第３スイッチング部、１３９…第４スイッチング部、２０１…第３ＮＯｘ濃度測定装置、２３１…基準電源部、２３３…基準電圧比較回路、２３７…第１電流比較回路、２３９…第２電流比較回路。

Claims

ガス拡散抵抗部を介して被測定ガスが導入される被測定ガス室と、
一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、前記被測定ガス室中の酸素濃度を測定する酸素濃度検知セルと、
一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、前記酸素濃度検知セルにより検出された酸素濃度に基づき、前記被測定ガス室に対して酸素を汲み入れまたは汲み出す第１酸素イオンポンプセルと、
一対の多孔質電極が表面に形成された酸素イオン伝導性固体電解質体を有し、前記第１酸素イオンポンプセルにより酸素が汲み出された後の前記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を測定する第２酸素イオンポンプセルと、
前記第２酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第２ポンプセル用電源手段と、
を備えて、前記被測定ガス中における前記特定ガスの濃度を測定するガス濃度測定装置であって、
前記特定ガスは、Ｏ₂よりも解離電圧が高いガスであり、
前記第２ポンプセル用電源手段の電圧印加により前記第２酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第２通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第２スイッチング手段と、
前記特定ガスの濃度検出時は前記第２通電経路を接続状態に設定し、前記特定ガスの濃度検出時以外は前記第２通電経路を遮断状態に設定するように、前記第２スイッチング手段を駆動制御する制御手段と、
を備えており、
前記被測定ガス室は、１室で構成されており、
前記第１酸素イオンポンプセルを形成する前記酸素イオン伝導性固体電解質体と、前記第２酸素イオンポンプセルを形成する前記酸素イオン伝導性固体電解質体とが、単一の酸素イオン伝導性固体電解質体を共有し、
前記特定ガスは、ＮＯｘであること、
を特徴とするガス濃度測定装置。
前記第１酸素イオンポンプセルを形成する前記一対の多孔質電極と、前記第２酸素イオンポンプセルを形成する前記一対の多孔質電極とが、単一の一対の多孔質電極を共有しており、
前記第１酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第１ポンプセル用電源手段と、
前記第１ポンプセル用電源手段の電圧印加により前記第１酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第１通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第１スイッチング手段を備え、
前記制御手段は、前記特定ガスの濃度検出時には、前記第２通電経路を接続状態に設定すると共に前記第１通電経路を遮断状態に設定し、前記特定ガスの濃度検出時以外には、前記第２通電経路を遮断状態に設定すると共に前記第１通電経路を通電状態に設定するように、前記第２スイッチング手段および前記第１スイッチング手段を制御すること、
を特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
前記第１酸素イオンポンプセルおよび前記第２酸素イオンポンプセルは、それぞれ前記一対の多孔質電極として、前記被測定ガス室に面する内側電極と、前記被測定ガス室に面しない外側電極とを備え、
前記第１酸素イオンポンプセルを形成する前記外側電極と、前記第２酸素イオンポンプセルを形成する前記外側電極とが、単一の電極を共有し、
前記第１酸素イオンポンプセルを形成する前記内側電極は、酸素を解離する材料で形成され、前記第２酸素イオンポンプセルを形成する前記内側電極は、特定ガスを解離する材料で形成されること、
を特徴とする請求項１に記載のガス濃度測定装置。
前記第１酸素イオンポンプセルに電圧を印加する第１ポンプセル用電源手段と、
前記第１ポンプセル用電源手段の電圧印加により前記第１酸素イオンポンプセルに流れる電流の通電経路となる第１通電経路を、接続状態または遮断状態に切り替える第１スイッチング手段を備え、
前記制御手段は、前記特定ガスの濃度検出時には、前記第２通電経路を接続状態に設定すると共に前記第１通電経路を遮断状態に設定し、前記特定ガスの濃度検出時以外には、前記第２通電経路を遮断状態に設定すると共に前記第１通電経路を通電状態に設定するように、前記第２スイッチング手段および前記第１スイッチング手段を制御すること、
を特徴とする請求項３に記載のガス濃度測定装置。
前記被測定ガスは、燃焼機器の排気ガスであり、
前記特定ガスは、ＮＯｘであること、
を特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のガス濃度測定装置。