JP6542687B2 - ガスセンサユニット - Google Patents

Description

本発明は、例えば燃焼器や内燃機関等の燃焼ガスや排気ガスに含まれる酸素、ＮＯｘ等の特定ガスの濃度を検出するガスセンサと制御部とを備えたガスセンサユニットに関する。

従来から、例えばエンジンの排気管等の排気系に装着され、排気ガス中における特定ガス成分の濃度を検出するガスセンサとして、固体電解質体の表面に１対の電極を配置したセルを少なくとも１つ以上有するものが知られている。
このようなＮＯｘセンサの一例として、図４に示すＮＯｘセンサ（素子）が挙げられる（特許文献１、２参照）。このＮＯｘセンサ（素子）１００は、ＮＯｘを含む被測定ガスが導入されるサンプルガス室７０を先端部に有し、このサンプルガス室７０と対面するように第１酸素ポンプセル４０および第２酸素ポンプセル２０を上下にそれぞれ設けている。第１酸素ポンプセル４０および第２酸素ポンプセル２０の一方の電極は、それぞれサンプルガス室７０に面して設けられている。さらに、第１酸素ポンプセル４０より後端側のサンプルガス室７０の上面に、検出セル３０が臨んでいる。又、第２酸素ポンプセル２０の下側には、第１酸素ポンプセル４０および第２酸素ポンプセル２０の固体電解質体を活性化温度に加熱するヒータ６０が積層されている。

このＮＯｘセンサ１００では、予め酸素ポンプセルの印加電圧Ｖとセルを流れる酸素ポンプ電流Ｉとの関係を求めておく。そして、２つの酸素ポンプセル２０、４０を電気的に並列接続し、酸素ポンプ電流Ｉが限界電流Ｉ０となるように、所定の酸素濃度に応じた電圧を印加することにより、サンプルガス室７０内の酸素濃度を所定の低濃度に制御している。さらに、このように酸素濃度が調整されたサンプルガス室７０内の検出セル３０に所定の電圧を印加し、このときに移動する酸素イオンの量、即ち検出セル３０における酸素イオン電流の大きさからＮＯｘ濃度を求めている。
そして、ＮＯｘセンサ１００が２つの酸素ポンプセル２０、４０を備えているので、サンプルガス室７０の酸素排出能力を高め、ＮＯｘ濃度を精度よく測定できるとされている。

特開2013-88119号公報 特許3607453号公報

ところで、上記したＮＯｘセンサ１００は、電圧Ｖ０を印加したときの酸素ポンプ電流Ｉが限界電流Ｉ０となるように、２つの酸素ポンプセル２０、４０の印加電圧Ｖを変化させるフィードバック制御を行っている。
具体的には、図５に示すようにサンプルガス室７０内の酸素ガス濃度が高くなると、酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩ０より高くなる。そこで、２つの酸素ポンプセル２０、４０の印加電圧ＶをＶ０から上昇させ、サンプルガス室７０内の酸素をさらに外部に汲み出す。一方、サンプルガス室７０内の酸素ガス濃度が低くなると、酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩ０より低下する。そこで、２つの酸素ポンプセル２０、４０の印加電圧をＶ０から低下させ、サンプルガス室７０内の酸素の汲み出しを抑制する。

しかしながら、２つの酸素ポンプセル２０、４０は、ヒータ６０からの距離がそれぞれ異なるため、セル温度も異なる。そのため、電気的に並列接続された２つの酸素ポンプセルを共通の印加電圧で制御すると上述のフィードバック制御が不正確になり、サンプルガス室７０内の酸素ガス濃度を精度よく制御することが困難になるという問題がある。
つまり、図６の破線に示すように、セル温度が低下すると固体電解質体の内部抵抗が上昇し、酸素ポンプ電流−印加電圧曲線の立ち上がりの傾きが小さくなる。その結果、当初の印加電圧Ｖ０を印加しても酸素ポンプ電流Ｉが限界電流Ｉ０とならず、酸素の導入または排出が予定した量よりも不十分となってしまう。

そこで、本発明は、２つの酸素ポンプセルにより内部空間内の酸素濃度を迅速かつ精度よく制御でき、特定ガス成分濃度を精度よく測定できるガスセンサユニットを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサユニットは、所定の拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される内部空間と、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により前記内部空間に酸素を導入または排出し、該内部空間内の酸素濃度を調整する第一酸素ポンプセルと、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により前記内部空間に酸素を導入または排出し、該内部空間内の酸素濃度を調整する第二酸素ポンプセルと、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極に流れる電流値から被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、を有するガスセンサと、前記ガスセンサに電気的に接続され、前記第一酸素ポンプセルの前記一対の電極間に酸素ポンプ電流を流すために印加される電圧を所定の設定値に設定すると共に、前記第一酸素ポンプセルの前記一対の電極間を流れる前記酸素ポンプ電流を、前記印加電圧における限界電流領域にするよう、前記第二酸素ポンプセルの前記一対の電極間に印加される電圧を変化させて酸素を導入または排出する通電制御を行う制御部と、を備えたことを特徴とする。

このガスセンサユニットは、第一酸素ポンプセルに所定の設定値の電圧を印加したときの酸素ポンプ電流が所定範囲となるように、第二酸素ポンプセルの印加電圧を変化させる制御を行い、内部空間内の酸素濃度を一定に保って特定ガス成分濃度を検出する。
そのため、第一酸素ポンプセルの温度を所定温度以上に保っておけば、上述の設定値の電圧を印加したときに酸素ポンプ電流を確実に限界電流とすることができ、予定した量の酸素の導入または排出を正確に行える。その結果、第一酸素ポンプセル及び第二酸素ポンプセルにより内部空間内の酸素濃度を迅速かつ精度よく制御でき、特定ガス成分濃度を精度よく測定できる。

本発明のガスセンサユニットにおいて、ガスセンサの前記第一酸素ポンプセルと前記センサセルとが共通の前記固体電解質体に設けられ、前記第二酸素ポンプセルが別の前記固体電解質体に設けられているとよい。
このガスセンサユニットによれば、固体電解質体の数を低減させてガスセンサの構造を簡便にすることができる。又、第一酸素ポンプセルを、センサセルと共通の固体電解質体に設けることで、固体電解質体を通じてセンサセルへ電圧変動等の外乱を与えることを抑制し、特定ガス成分濃度をさらに精度よく測定することができる。

本発明のガスセンサユニットにおいて、前記設定値は１つの一定値であるとよい。
このガスセンサユニットによれば、第一酸素ポンプセルの設定値が１つであるので、制御が確実かつ簡便になる。

この発明によれば、第一酸素ポンプセル及び第二酸素ポンプセルにより内部空間内の酸素濃度を迅速かつ精度よく制御でき、特定ガス成分濃度を精度よく測定できる。

本発明の実施形態に係るガスセンサユニットの全体断面図である。 本発明の実施形態に係るガスセンサユニットのガスセンサが備えるガスセンサ素子の先端部及び制御部の模式的断面図である。 ガスセンサ素子の分解展開図である。 従来のＮＯｘセンサが備えるガスセンサ素子の先端部の模式的断面図である。 酸素ポンプセルへの印加電圧と酸素ポンプ電流との関係を示す図である。 酸素ポンプセルへの印加電圧と酸素ポンプ電流との関係を示す別の図である。

以下に、本発明を、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態における内燃機関用ガスセンサユニットの全体構成を示す図であり、ここでは、ガスセンサ（ＮＯｘセンサ）Ｓは、例えば、内燃機関としての自動車エンジンの排気通路に設置されて、被測定ガスである排ガス中に含まれる特定ガス成分、例えば、ＮＯｘ（窒素酸化物）を検出する。図２は、ＮＯｘセンサＳが備えるガスセンサ素子１の先端部の模式的断面図であり、図３は、その分解展開図である。

図１において、ＮＯｘセンサＳは、図示しない排気管壁に取り付けられる筒状ハウジングＨ１と、ハウジングＨ１内に絶縁保持されるガスセンサ素子１を有している。ガスセンサ素子１は、細長い板状で、中央部がハウジングＨ１内に配置した筒状絶縁体Ｈ２内に保持され、ガスセンサ素子１の先端部（図の下端部）は、ハウジングＨ１下端に固定される素子カバーＨ３内に収容されている。ガスセンサ素子１の基端部（図の上端部）は、ハウジングＨ１上端に固定される筒状部材Ｈ４内に位置し、端子Ｐが外部へ延出されるリード線Ｈ８に接続される。筒状部材Ｈ４とガスセンサ素子１の基端部との間には、筒状絶縁体Ｈ５が充填されている。

排気管内に突出する素子カバーＨ３は内外二重構造で、側壁および底壁に排気口Ｈ６が設けられる。これにより、排気通路を流通する排ガスを、特定ガス成分を含む被測定ガスとして、ガスセンサ素子１の先端部が位置する素子カバーＨ３の内部に取り込むことができる。一方、排気管外部に露出する筒状部材Ｈ４の上端部には、側壁に大気口Ｈ７が形成されており、ガスセンサ素子１の基端部が位置する筒状絶縁体Ｈ５の筒内に、基準酸素濃度ガスである大気が導入される。これにより、共通の基準酸素濃度ガス存在空間となる筒状絶縁体Ｈ５の筒内空間から、ガスセンサ素子１の内部へ大気を導入可能となっている。
一方、リード線Ｈ８の後端側には、コネクタ等を介してコントローラ（制御部）Ｃが電気的に接続され、ＮＯｘセンサＳとコントローラＣとが特許請求の範囲の「ガスセンサユニット」を構成する。

図２、図３において、ガスセンサ素子１は、第二酸素ポンプセル４を構成するためのシート状の固体電解質体６と、第一酸素ポンプセル２およびセンサセル３を構成するためのシート状の固体電解質体５と、内部空間７を形成するためのシート状のスペーサ８と、第一基準ガス空間１７および第二基準ガス空間１６を形成するためのシート状のスペーサ９、９１と、これらを加熱するヒータ１２とが、順次積層されて構成される。

内部空間７は、被測定ガス存在空間より被測定ガスが導入される室であり、図３に示す様に、固体電解質体５、６との間に位置するスペーサ８の抜き穴８ａにて形成される。ここでは、被測定ガス存在空間は、図１における素子カバーＨ３の内部空間であり、内燃機関の排気通路内を流通する排ガスが被測定ガスとして導入されている。
また、内部空間７は、多孔質拡散抵抗１１を介して、被測定ガス存在空間と連通している。多孔質拡散抵抗１１の形状や気孔率、気孔径は、これを通過して内部空間７に導入される被測定ガスの拡散速度が所定の速度となるように、適宜設計される。

第一基準ガス空間１７および第二基準ガス空間１６は、一定の酸素濃度をもつ共通の基準酸素濃度ガスとしての大気が導入され、固体電解体６の下方に積層したスペーサ９に設けた抜き穴９ａ、固体電解質５の上方に積層したスペーサ９１に設けた抜き穴９１ａにて形成される。この抜き穴９ａ、９１ａは、ガスセンサ素子１の長手方向に伸びる溝としての通路部９ｂ、９１ｂを有し、この通路部９ｂ、９１ｂは、スペーサ９、９１の基端側（図３の右端側）に開口して、共通の基準酸素濃度ガス存在空間である筒状絶縁体Ｈ５の筒内空間に連通している。

スペーサ９の下方には、ヒータ１２が積層され、スペーサ９１の上方には、絶縁材料よりなるシート９２が積層されて、抜き穴９ａ、９１ａ、通路部９ｂ、９１ｂの上下開口を閉鎖する。これにより、通路部９ｂ、９１ｂを通して、第一、第二基準ガス空間１６、１７に大気が導入される。ここで、各スペーサ８、９、９１はアルミナ等の絶縁材料よりなる。

第一酸素ポンプセル２、第二酸素ポンプセル４、センサセル３を構成するための固体電解質体５、６は、ジルコニアやセリア等の酸素イオン導電性を有する電解質よりなる。第一酸素ポンプセル２は、固体電解質体５と、固体電解質体５を挟むように対向配置された一対の電極２ａ、２ｂとより構成される。一対の電極２ａ、２ｂのうち一方の電極２ａは、内部空間７に面するように、固体電解質体５下表面に接して設けられ、他方の電極２ｂは第一基準ガス空間１７に面するように、固体電解質体５上表面に接して設けられている。

第二酸素ポンプセル４は、固体電解質体６と、固体電解質体６を挟むように対向配置された一対の電極４ａ、４ｂとより構成される。一対の電極４ａ、４ｂのうち一方の電極４ａは、内部空間７に面するように、固体電解質体６上表面に接して設けられ、他方の電極４ｂは第二基準ガス空間１６に面するように、固体電解質体６下表面に接して設けられている。第二酸素ポンプセル４の電極４ａと第一酸素ポンプセル２の電極２ａは、内部空間７に面して相対向して、ここでは図３の上下方向に対向する位置に設けられる。

センサセル３は、固体電解質体５と、固体電解質体５を挟むように対向配置された一対の電極３ａ、３ｂとより構成される。一対の電極３ａ、３ｂのうち一方の電極３ａは、内部空間７に面するように、固体電解質体５下表面に接して設けられ、他方の電極３ｂは第一基準ガス空間１７に面するように、固体電解質体５上表面に接して設けられている。センサセル３の電極３ａ、３ｂは、内部空間７において、第一酸素ポンプセル２より被測定ガスの流れに対し下流側に配置される。なお、本実施形態では、センサセル３の電極３ｂは、第一酸素ポンプセル２の電極２ｂと一体的に設けられている。

ここで、第一酸素ポンプセル２の一方の電極２ａおよび第二酸素ポンプセル４の一方の電極４ａには、被測定ガス中のＮＯｘの分解を抑制するために、ＮＯｘの分解活性の低い電極を用いると良い。具体的には、主成分としてＰｔ（白金）とＡｕ（金）を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、金属成分中のＡｕの含有量は、０．５〜５質量％程度とするのが良い。また、センサセル３の一方の電極３ａには、被測定ガス中のＮＯｘを分解するために、ＮＯｘの分解活性の高い電極を用いると良い。具体的には、主成分としてＰｔとＲｈ（ロジウム）を含有する多孔質サーメット電極が好適に用いられる。この際、金属成分中のＲｈの含有量は、１０〜５０質量％程度とするのが良い。第一酸素ポンプセル２、第二酸素ポンプセル４、センサセル３の電極２ｂ 、４ｂ、３ｂには、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に用いられる。

また、図３に示すように、これら各電極２ａ、２ｂ、４ａ、４ｂ、３ａ、３ｂには、これら各電極から電気信号を取出すためのリード２ｃ、２ｄ（３ｄ）、４ｃ、４ｄ、３ｃ、３ｄが一体に形成されている。これらリードは、各電極と同じくＰｔ等の貴金属とジルコニア等のセラミックを主成分としたサーメット材料で構成される。ここで、固体電解質体５、６上の電極２ａ等以外の部位、特にリード２ｃ等の形成部位には、固体電解質体５、６とリード２ｃ等の間にアルミナ等の絶縁層（図略）を形成しておくことが好ましい。

上記ヒータ１２は、アルミナ製のヒータシート１３の上面に、通電発熱するヒータ電極１４をパターニング形成し、このヒータ電極１４の上面（スペーサ９側の面）に、絶縁のためのアルミナ層１５を形成してなる。ヒータ電極１４は、通常、Ｐｔとアルミナ等のセラミックスとのサーメットが用いられる。このヒータ１２は、ヒータ電極１４を外部からの給電により発熱させ、上記各セル２、３、４を活性化温度まで加熱するものである。

また、図３に示すように、各セル２、３、４、ヒータ電極１４は、固体電解質体５、６、スペーサ８、９、９１、ヒータシート１３等の基端部に形成されたスルーホールＳＨを通して、センサ基部の端子Ｐまで接続されている。
そして、図１に示すように、この端子Ｐにはコネクタを介して圧着やろう付け等により、リード線Ｈ８が接続され、外部回路と各セル２、３、４及びヒータ１２との信号のやり取りが可能となっている。

なお、固体電解質体５、６、スペーサ８、９、９１、アルミナ層１５及びヒータシート１３は、ドクターブレード法や押し出し成形法等により、シート形状に成形することができる。
また、上記の各電極２ａ等、リード２ｃ等及び端子Ｐは、スクリーン印刷等により形成することができる。そして、各シートは積層して焼成することにより、一体化される。

次に、コントローラ（制御部）Ｃの構成について説明する。図２に示すように、コントローラＣは、ＮＯｘセンサＳが備えるガスセンサ素子１に電気的に接続され、ＮＯｘセンサＳ（ガスセンサ素子１）を通電制御する。なお、「ガスセンサを通電制御する」とは、ＮＯｘセンサＳに対応したコントローラＣを接続したときに実行される制御をいう。
コントローラＣは、第一酸素ポンプセル２と導通する回路Ｃ７、第二酸素ポンプセル４と導通する回路Ｃ１１、センサセル３と導通する回路Ｃ１３、及び全体を制御するマイコン（マイクロコンピュータ）Ｃ１を有する。

回路Ｃ７には電流計Ａ１及び電源Ｃ５が接続されており、電源Ｃ５は所定電圧を第一酸素ポンプセル２の一対の電極２ａ、２ｂ間に印加する。又、マイコンＣ１は電流計Ａ１の電流値を検出する。なお、図５に示すように、電源Ｃ５がＶ０の電圧を印加した場合、電流計Ａ１の電流値は、限界電流Ｉ０を示す。
回路Ｃ１１には電流計Ａ２及び電圧可変電源Ｃ９が接続されており、電源Ｃ９はマイコンＣ１の制御により所定の電圧を第二酸素ポンプセル４の一対の電極４ａ、４ｂ間に印加する。
回路Ｃ１３には電流計Ａ３及び電源Ｃ１７が接続されており、電源Ｃ１７は一定電圧をセンサセル３の一対の電極３ａ、３ｂ間に印加する。又、マイコンＣ１は電流計Ａ３の電流値を検出する。

次に、上記構成のガスセンサ素子１の動作原理を説明する。図２において、被測定ガスである排ガスは、多孔質拡散抵抗１１を通過して内部空間７に導入される。導入されるガス量は、多孔質拡散層１１の拡散抵抗により決定される。
第一酸素ポンプセル２の一対の電極２ａ、２ｂ、第二酸素ポンプセルの一対の電極４ａ、４ｂに、第一、第二基準ガス空間１７、１６側の電極２ｂ、４ｂが＋極となるように電圧を印加すると、上記内部空間７側の電極２ａ、４ａ上で被測定ガス中の酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極２ｂ、４ｂ側に排出される。なお、図２では、電極２ｂ、４ｂが＋極となるように電圧を印加している。

逆に、内部空間７側の電極２ａ、４ａが＋極となるように電圧を印加すると、第一、第二基準ガス空間１７、１６側の電極２ｂ、４ｂ上で酸素が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極２ａ、４ａ側に排出される。予め求められた酸素ポンプセル印加電圧Ｖと酸素ポンプ電流Ｉの関係から、図５に示す酸素ポンプ電流Ｉが限界電流Ｉ０を維持するように、後述する通電制御によって第一酸素ポンプセル２及び第二酸素ポンプセル４に電圧を印加することにより、内部空間７内の酸素濃度を所定の低濃度に制御できる。

センサセル３の一対の電極３ａ、３ｂに、第二基準ガス空間１６側の電極３ｂが＋極となるように所定の電圧（例えば、０．４０Ｖ）を印加する。電極３ａは、特定ガス成分であるＮＯｘの分解に活性なＰｔ-Ｒｈサーメット電極であるため、上記内部空間７側の電極３ａ上で被測定ガス中の酸素やＮＯｘが還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極３ｂ側に排出される。被測定ガス中にＮＯｘが存在すると、ＮＯｘ濃度に応じて電流計Ａ３の電流値が増加するため、これにより被測定ガス中のＮＯｘ濃度が検出可能となる。

次に、コントローラＣによる通電制御について説明する。
本発明においては、第一酸素ポンプセル２に一定の電圧Ｖ０を印加したときの酸素ポンプ電流Ｉが所定範囲の限界電流（図５参照）を維持するように、第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを監視しながら第二酸素ポンプセル４の印加電圧Ｖを変化させるフィードバック制御を行う。
ここで、一定の電圧Ｖ０において、酸素ポンプ電流Ｉが限界電流を示す（電圧に対して電流が一定となる）範囲は、図５に示すＩＬ≦Ｉ≦ＩＨの限界電流領域に限られ、この限界電流領域から外れると、酸素濃度を正確に測定し、予定した量の酸素の導入または排出を正確に行うことが困難になる。そして、電圧を高くすると限界電流領域も高電流側へ移行する傾向にある。
なお、一定の電圧Ｖ０、限界電流領域（ＩＬ≦Ｉ≦ＩＨ）がそれぞれ特許請求の範囲の「所定の設定値の電圧」、「所定範囲（の酸素ポンプ電流）」に相当する。

具体的には、フィードバック制御開始時には、第一酸素ポンプセルと第二酸素ポンプセルに一定の電圧Ｖ０を印加する。内部空間７内の酸素ガス濃度が高いと、図５に示すように第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩ０より高いＩＨになる。第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流がＩＨを超えると、上述のように酸素濃度が正確に測定できなくなるため、第二酸素ポンプセル４の印加電圧をＶ０から上昇させ、内部空間７内の酸素をさらに外部に汲み出す。
酸素の汲み出しにより内部空間７内の酸素濃度が低下し、第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩＨ以下の領域になれば第二酸素ポンプセル４の印加電圧をその電圧で固定する。この時、内部空間７内の酸素濃度はＮＯｘ濃度を測定するための所定の低濃度になっているので、センサセル３でＮＯｘ濃度を測定する。第二酸素ポンプセル４に印加された電圧と、第二酸素ポンプセル４を流れた第二酸素ポンプ電流と、第一酸素ポンプセル２に印加した印加電圧と、第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流とに基づき、被測定ガス中の酸素濃度を求める事もできる。なお、後者は、第一酸素ポンプセル２及び第二酸素ポンプセル４で酸素を引き切った電流（限界電流）が内部空間７の酸素濃度を示すことから、第一酸素ポンプセル２及び第二酸素ポンプセルのポンプ電流及び印加電圧から酸素濃度を求めるものである。

フィードバック制御開始時に、第一酸素ポンプセルと第二酸素ポンプセルに一定の電圧Ｖ０を印加した際、図５に示すように、第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩＬ≦Ｉ≦ＩＨの限界電流領域内であれば、正確に酸素濃度を測定し、予定した量の酸素の汲み出しができる。従って、内部空間７内の酸素濃度がＮＯｘ濃度を測定するための所定の低濃度となるように、上記と同様に、第一酸素ポンプセルの印加電圧を制御し酸素を汲み出す。そして、上記と同様にして、被測定ガス中の酸素濃度やＮＯｘ濃度を求める。

一方、フィードバック制御開始時に、第一酸素ポンプセルと第二酸素ポンプセルに一定の電圧Ｖ０を印加しても、内部空間７内の酸素ガス濃度が低いと、図５に示すように第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩＬ未満になる。第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流がＩＬ未満になると、上述のように酸素濃度が正確に測定できなくなるため、第二酸素ポンプセル４の印加電圧をＶ０から低下させ、内部空間７内の酸素の汲み出しを抑制する。
酸素の汲み出しの抑制により内部空間７内の酸素濃度が上昇し、第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流Ｉを示す限界電流がＩＬ以上の領域になれば第二酸素ポンプセル４の印加電圧をその電圧で固定する。次に、上記と同様にＮＯｘ濃度を求める。なお、汲みだしを停止させても酸素濃度を上昇させるには不足となる場合は、第２酸素ポンプセルの電極の正負を逆転させ、第二酸素ポンプを使って酸素を汲み入れれば良い。なお、第二酸素ポンプセル４を停止しても、第一酸素ポンプセルの電流が閾値未満であれば、第二酸素ポンプセル４の電極の正負を逆転させればよい。

ここで、本実施形態のガスセンサＳは、第一酸素ポンプセル２に電圧Ｖ０を印加したときの酸素ポンプ電流Ｉを所定範囲（上述の限界電流領域）に保つように、第二酸素ポンプセル４の印加電圧Ｖを変化させる制御を行い、さらに第一酸素ポンプセル２に所定電圧を印加し、内部空間７内の酸素濃度を一定に保ってＮＯｘ濃度を検出する。
そのため、第一酸素ポンプセル２の温度を、図５に示した酸素ポンプセル印加電圧Ｖと酸素ポンプ電流Ｉの関係（電流−電圧曲線）を再現するような所定温度以上に保っておけば、予定した量の酸素の導入または排出を正確に行える。その結果、第一酸素ポンプセル２及び第二酸素ポンプセル４により内部空間７内の酸素濃度を迅速かつ精度よく制御でき、ＮＯｘ濃度を精度よく測定できる。
一方、第二酸素ポンプセル４については、印加電圧を変化させて第一酸素ポンプセル２の酸素ポンプ電流を所定範囲内にするフィードバック制御を行うために用いるので、第一酸素ポンプセル２と第二酸素ポンプセル４の温度が異なっていても、ＮＯｘ濃度の測定精度に影響を及ぼすことが抑制される。

ここで、上述の限界電流領域（ＩＬ≦Ｉ≦ＩＨ）は、印加電圧Ｖ０によって変化するので、ガスセンサが使用される測定環境の酸素濃度範囲や、正確な制御が求められる酸素濃度範囲に応じて、印加電圧Ｖ０（限界電流領域）を予め定めれば良い。

また、センサセル３と第一酸素ポンプセル２が共通の固体電解質体に設けられている場合は、第一酸素ポンプセル２に印加する電圧Ｖ１と、第二酸素ポンプセル４に印加する印加電圧Ｖ２の関係が、｜Ｖ２｜＞｜Ｖ１｜となる事が好ましい。この関係が満たされると、第二酸素ポンプセル４に流れる第二酸素ポンプ電流の方が、第一酸素ポンプセル２に流れる酸素ポンプ電流よりも大きくなる。このため、センサセル３と同じ固体電解質体に設けられた第一酸素ポンプセルの電流の方が小さくて済み、ＮＯｘ濃度検知に用いるセンサセル３の電極間を流れる電流への影響も小さくなるので、より精度の良いＮＯｘ濃度の検知が可能となる。なお、｜Ｖ２｜＞｜Ｖ１｜となる様に、各酸素ポンプセル２，４に印加する電圧の初期値を、ガスセンサが使用される測定環境の酸素濃度範囲に応じて適宜設定すれば良い。

なお、マイコンＣ１は、第一酸素ポンプセル２の電流計Ａ１の酸素ポンプ電流Ｉを検出し、予め設定された上述の限界電流領域（ＩＬ≦Ｉ≦ＩＨ）との差に応じて、上述のように第二酸素ポンプセル４の電源Ｃ９の電圧を変化させ、酸素ポンプ電流Ｉが上述の限界電流領域内になるようなフィードバック制御を行う。従って、図２の電流計Ａ１からマイコンＣ１を経由して電源Ｃ９へ向かう矢印がフィードバック回路に相当する。
また、限界電流とは、図５における電流−電圧曲線において傾き０となっている部分である。

さらに、本発明のＮＯｘセンサＳ（ガスセンサ素子１）は、内部空間７に面して２つの酸素ポンプセル（第一酸素ポンプセル２および第二酸素ポンプセル４）を有し、内部空間７内の酸素濃度が一定となるように制御するので、酸素ポンプセルが１つの場合に比べて酸素ポンプ能力が高い。また、第一、第二基準ガス空間１７、１６は大気に連通しているので、リッチ・リーン雰囲気によらず、内部空間７側から第一、第二基準ガス空間１７、１６側へ、あるいは逆方向に酸素イオンをポンピング作用により速やかに排出することができる。

これにより、内部空間７内の酸素濃度を均一にし、かつ所定の低濃度に制御できる。したがって、内部空間７に面してセンサセル３を配置して、簡易な構成で、ＮＯｘ濃度を精度よく検出できる。また、センサセル３を別の内部空間に配置して別の拡散抵抗で連通する構成とする必要がないので、これら形状のセンサ個体差によるばらつきを小さくすることができる。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、本発明のガスセンサは、内燃機関の排気系に設置されるＮＯｘセンサとして尿素ＳＣＲシステムの尿素噴射量制御のみならず、ＮＯｘ吸蔵還元触媒下流のＮＯｘ濃度の監視あるいはＮＯｘ吸蔵還元触媒の再生制御等、種々のＮＯｘ浄化システムに使用することができる。
さらには、本発明のガスセンサにより検出される特定ガス成分として、ＮＯｘの他、ＳＯｘ、酸素、二酸化炭素その他に適用することもできる。また、被測定ガスは内燃機関からの排ガスに限らず、種々のガス中の特定ガス成分の検出に使用されて、検出精度を大きく向上させ、各種システムの制御性の向上等に貢献することができる。

また、上記実施形態においては、第一酸素ポンプセルと第二酸素ポンプセルの初期値を同じ電圧（Ｖ０）としたが、別々の電圧を印加しておいてもよい。

なお、上記実施形態においては、第一酸素ポンプセル２とセンサセル３とを、共通の固体電解質体５上に設け、第二酸素ポンプセル４を別の固体電解質体６上に設けている。これにより、固体電解質体の数を低減させてガスセンサの構造を簡便にすることができる。又、印加電圧が一定の第一酸素ポンプセル２を、センサセル３と共通の固体電解質体５上に設けることで、固体電解質体５を通じてセンサセル３へ電圧変動等の外乱を与えることを抑制し、ＮＯｘ濃度を精度よく測定することができる。

Ｃ コントローラ（制御部）
Ｓ ＮＯｘセンサ（ガスセンサ）
１ ガスセンサ素子
２ 第一酸素ポンプセル
２ａ 一方の電極（一対の電極）
２ｂ 他方の電極（一対の電極）
３ センサセル
３ａ 一方の電極（一対の電極）
３ｂ 他方の電極（一対の電極）
４ 第二酸素ポンプセル
４ａ 一方の電極（一対の電極）
４ｂ 他方の電極（一対の電極）
５、６ 固体電解質体
７ 内部空間
１１ 多孔質拡散抵抗（拡散抵抗）
１７ 第一基準ガス空間
１６ 第二基準ガス空間
Ｖ０ 一定の電圧（所定の設定値の電圧）
Ｉ 第一酸素ポンプセルの酸素ポンプ電流
ＩＬ≦Ｉ≦ＩＨ 所定範囲の酸素ポンプ電流

Claims (3)

1. 所定の拡散抵抗を介して被測定ガスが導入される内部空間と、
   酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により前記内部空間に酸素を導入または排出し、該内部空間内の酸素濃度を調整する第一酸素ポンプセルと、
   酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極への通電により前記内部空間に酸素を導入または排出し、該内部空間内の酸素濃度を調整する第二酸素ポンプセルと、
   酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に、一方の電極が前記内部空間に面するように設けられた一対の電極を有し、これら一対の電極に流れる電流値から被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するセンサセルと、を有するガスセンサと、
   前記ガスセンサに電気的に接続され、前記第一酸素ポンプセルの前記一対の電極間に酸素ポンプ電流を流すために印加される電圧を所定の設定値に設定すると共に、
   前記第一酸素ポンプセルの前記一対の電極間を流れる前記ポンプ電流を、前記印加電圧における限界電流領域にするよう、前記第二酸素ポンプセルの前記一対の電極間に印加される電圧を変化させて酸素を導入または排出する通電制御を行う制御部と、を備えたガスセンサユニット。
2. 前記第一酸素ポンプセルと前記センサセルとが共通の前記固体電解質体に設けられ、前記第二酸素ポンプセルが別の前記固体電解質体に設けられている請求項１記載のガスセンサユニット。
3. 前記設定値は１つの一定値である請求項１又は２に記載のガスセンサユニット。
   ト。

Images