(57)【要約】【課題】周囲の温度の急変等に伴うＮＯｘセンサの温度変化を抑制してＮＯｘセンサの温度を一定に保ち、ＮＯｘ濃度の変動を防止したＮＯｘセンサ制御装置を提供する。【解決手段】固体電解質体１１１、１２１、１３１および固体電解質体に設けられた一対の電極１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３を備える複数のセル１１０、１２０、１３０と、各セルの少なくとも１つを目標温度に加熱するヒータ１６４とを備え、セルの１つにＮＯｘガスの濃度に応じた電流が流れるＮＯｘセンサ１０に接続され、ＮＯｘセンサの温度情報を３０〜８０ｍ秒の範囲内で設定された第１周期で検出する温度検出手段５９、６１と、温度検出手段によって検出された温度情報を取得し、取得した温度情報に基づいて目標温度となるようヒータの通電制御する動作を、第１周期より短い第２周期にて実行するヒータ通電制御手段５７、６１とを備えるＮＯｘセンサ制御装置１である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える複数のセルと、前記各セルの少なくとも１つを目標温度に加熱するヒータとを備え、前記セルの１つに被測定ガス中のＮＯｘガスの濃度に応じた電流が流れるＮＯｘセンサに接続されるＮＯｘセンサ制御装置であって、
前記ＮＯｘセンサの温度情報を３０〜８０ｍ秒の範囲内で設定された第１周期で検出する温度検出手段と、
前記温度検出手段にて検出された前記温度情報を取得し、取得した前記温度情報に基づいて前記目標温度となるよう前記ヒータの通電制御する動作を、第１周期より短い第２周期にて実行するヒータ通電制御手段と、
を備えるＮＯｘセンサ制御装置。
【請求項２】
前記第１周期が前記第２周期の２倍以上である請求項１記載のＮＯｘセンサ制御装置。
【請求項３】
前記温度情報は、いずれかの前記セルのインピーダンスである請求項１又は２記載のＮＯｘセンサ制御装置。
【請求項４】
前記ＮＯｘセンサは、間隔を開けて積層される２層の固体電解質体の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、
前記第１測定室に面して配置される検知電極と該検知電極の対極となる基準電極とを備え、前記第１測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度測定セルと、
前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極と該内側第１ポンプ電極の対極をなすと共に前記第１測定室外に配置された第１対極電極とを備え、前記酸素濃度測定セルからの前記出力電圧が所定値となるように、前記内側第１ポンプ電極及び前記第１対極電極間に流れる電流を通電制御することで、前記第１測定室内の酸素分圧を制御する第１ポンピングセルと、
前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、
前記第２測定室内に面して配置される内側第２ポンプ電極と該内側第２ポンプ電極の対極をなすと共に前記第２測定室外に配置された第２対極電極とを備え、前記内側第２ポンプ電極と前記第２対極電極間に電圧を印加することにより前記第２測定室内の被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流が流れる第２ポンピングセルとを備え、
前記温度検出手段は、前記酸素濃度測定セルのインピーダンスを前記温度情報として検出する請求項１又は２記載のＮＯｘセンサ制御装置。
【請求項５】
固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える複数のセルと、前記各セルの少なくとも１つを目標温度に加熱するヒータとを備え、前記セルの１つに被測定ガス中のＮＯｘガスの濃度に応じた電流が流れるＮＯｘセンサを制御し、
前記ＮＯｘセンサの温度情報を３０〜８０ｍ秒の範囲内で設定された第１周期で検出する温度検出過程と、
前記温度検出過程によって検出された前記温度情報を取得し、取得した前記温度情報に基づいて前記目標温度となるよう前記ヒータの通電制御する動作を、第１周期より短い第２周期にて実行するヒータ通電制御過程とを有するＮＯｘセンサ制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体電解質体および一対の電極を備えるセルを少なくとも１つ以上有すると共にヒータを有するＮＯｘセンサに接続され、ヒータの通電状態を制御するＮＯｘセンサ制御装置及びＮＯｘセンサ制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車等の内燃機関の燃費向上や燃焼制御を行うガスセンサとして、排気ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサや空燃比センサが知られている。又、自動車の排気ガス規制の強化に伴い、排気ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）量の低減が要求されており、ＮＯｘ濃度を直接測定できるＮＯｘセンサが開発されている。
このＮＯｘセンサとして、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを複数備えた構成のものが知られている。このＮＯｘセンサにおいては、被測定ガスを導入する第１測定室が区画され、第１測定室に臨む第１酸素ポンピングセルにより、被測定ガス中の酸素濃度が一定に制御される。酸素濃度が制御された被測定ガスは第１測定室に連通する第２測定室に流入し、第２測定室に臨む第２酸素ポンピングセルに一定電圧を印加することで、被測定ガス中のＮＯｘが分解されてＮＯｘ濃度に応じた電流が流れ、この電流に基づきＮＯｘ濃度が検出される。
【０００３】
ＮＯｘ濃度を正確に検出するには、ＮＯｘセンサを所定の活性温度（例えば７５０℃以上）に加熱して、各セルを活性化させる必要があることから、ＮＯｘセンサには各セルと一体となってヒータが設けられ、ＮＯｘセンサはヒータを通電制御する制御装置に接続されている。このようなＮＯｘセンサ制御装置として、ＮＯｘセンサを構成する１つのセルのインピーダンス（内部抵抗）を測定し、その内部抵抗からＮＯｘセンサの温度を算出し、この温度が目標温度になるようにヒータの通電状態を制御する技術が開発されている（特許文献１参照）。通常、ＮＯｘセンサ制御装置は、このようなヒータの通電状態の制御を司る他、第２酸素ポンピングセルに流れる電流を電圧変化した上で、その電圧を基にＮＯｘ濃度の検出値（濃度換算値）を算出し、外部のエンジン制御装置に該検出値を出力する機能をも司る。
【０００４】
【特許文献１】特開平１０−１４２１９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、近年、ＮＯｘ濃度の検出には数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍの精度が要求され、より高いＮＯｘ濃度の検出精度が要求されてきている。一方、排気ガスの流速や温度の変化に伴い、ＮＯｘセンサの温度も数１００ｍ秒のオーダで変化してＮＯｘ濃度の検出値が変動すること（ゆらぎ）が判明している。これは、酸素のイオン化エネルギや、第２測定室内のＮＯとＮＯ２との存在比率等に起因すると考えられるが、周囲の温度の急変に対してもＮＯｘセンサの温度を一定に保つことが、ＮＯｘ濃度の変動を防止して検出精度を向上させるために重要である。とりわけ、ジルコニア等の酸素イオン伝導性の固体電解質の表面に一対の電極を形成してなるセルを複数備えた構成のＮＯｘセンサでは、ＮＯｘ濃度に応じた電流が流れるセル（第２酸素ポンピングセル）に流れる当該電流は、ｎＡあるいはμＡオーダと非常に微小な電流であるため、ＮＯｘセンサの温度の変化が上記電流に与える影響が大きく、ＮＯｘ濃度の検出値のゆらぎは検出精度を向上させる観点から無視できないものである。
しかしながら、従来のＮＯｘセンサ制御装置の場合、ＮＯｘ濃度の検出として数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍといった精度が要求されていなかったため、周囲の温度の急変に対応した形でＮＯｘセンサの温度情報の測定タイミングが十分に考慮されておらず、ＮＯｘセンサの温度変化に伴ってＮＯｘ濃度の検出値が変動することを防止できない場合があった。又、この対策として、変動した検出値を平滑化したり、検出値が変動した区間の測定を無視することが行われていたが、これらの補正も十分ではなかった。
【０００６】
一方、周囲の温度の急変に対し、ある程度の遅れ（タイムラグ）を伴ってＮＯｘセンサの温度が変化するため、かかる遅れより短い周期でＮＯｘセンサの温度情報を測定しても非効率である。さらに、ＮＯｘセンサの温度情報を、ＮＯｘセンサが有するいずれかのセルのインピーダンスで測定する場合、インピーダンス測定の間はセルへの通常制御を中断する処理を講ずる必要があり、セル本来の機能（例えば、第１酸素ポンピングセルによる第１測定室の酸素濃度を制御する機能）が発揮できないことがある。従って、インピーダンス測定のタイミングを短くしすぎると、かえってＮＯｘ濃度の検出精度が低下する可能性がある。
【０００７】
すなわち、本発明は、周囲の温度の急変等に伴うＮＯｘセンサの温度変化を抑制してＮＯｘセンサの温度を略一定に保つことができ、セルに流れる電流に基づいて算出されるＮＯｘ濃度の変動（ゆらぎ）を防止したＮＯｘセンサ制御装置及びＮＯｘセンサ制御方法の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明のＮＯｘセンサ制御装置は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える複数のセルと、前記各セルの少なくとも１つを目標温度に加熱するヒータとを備え、前記セルの１つに被測定ガス中のＮＯｘガスの濃度に応じた電流が流れるＮＯｘセンサに接続されるＮＯｘセンサ制御装置であって、前記ＮＯｘセンサの温度情報を３０〜８０ｍ秒の範囲内で設定された第１周期で検出する温度検出手段と、前記温度検出手段によって検出された前記温度情報を取得し、取得した前記温度情報に基づいて前記目標温度となるよう前記ヒータの通電制御する動作を、第１周期より短い第２周期にて実行するヒータ通電制御手段とを備える。
【０００９】
通常、被測定ガスの流速や温度の変化に伴い、ＮＯｘセンサの温度も数１００ｍ秒のオーダで変化し、セルに流れる電流に基づいて算出されることになるＮＯｘ濃度の検出値が変動するが、上記第１周期を８０ｍ秒以下の周期に予め設定することで、ＮＯｘセンサの温度変化より短い周期でＮＯｘセンサの温度を温度検出手段にて測定することができる。そして、本発明では、ヒータ通電制御手段によって、温度検出手段にて検出される温度情報を取得し、その温度情報に基づきヒータの通電を制御する一連の動作を、第１周期よりも短い第２周期にて実行するようにしている。その結果、ＮＯｘセンサの温度変化を打ち消すようヒータの通電制御が、短い間隔で繰り返し行われるので、ＮＯｘセンサの温度を略一定に保つことが可能となり、セルに流れる電流に基づいて算出されることになるＮＯｘ濃度の検出値の変動（ゆらぎ）を防止して、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上させられる。
一方、周囲の温度の急変に対し、ある程度の遅れ（タイムラグ）を伴ってＮＯｘセンサの温度が変化するため、かかる遅れより短いタイミングでＮＯｘセンサの温度を測定しても非効率であるため、第１周期を３０ｍ秒以上の周期に予め設定することで無駄な温度情報の測定を行わず、ＮＯｘセンサ制御装置の処理負荷の軽減を図ることができる。
【００１０】
なお、本発明において、温度検出手段は、３０〜８０ｍ秒の範囲内で予め設定された第１周期の中でのあるタイミング或いは期間で温度情報を検出し、これを第１周期で繰り返し実行すればよいものである。また、温度検出手段は、ＮＯｘセンサの温度情報を検出するものであれば特に限定されず、温度情報と相関関係があるセルのインピーダンスを温度情報として検出したり、温度に応じて抵抗が変化する発熱抵抗体を備えるヒータであれば、発熱抵抗体の抵抗値を温度情報として検出したりすればよく、さらにはＮＯｘセンサに温度センサを付設してもよい。
【００１１】
本発明のＮＯｘセンサ制御装置では、前記第１周期が前記第２周期の２倍以上であるとよい。
このようにすると、第１周期内に、ヒータ通電制御手段によるヒータの通電制御を複数回実行することができ、より精密にＮＯｘセンサの温度を略一定に保つことが可能となり、ＮＯｘ濃度の検出値の変動をより防止することができる。
【００１２】
前記温度情報は、いずれかの前記セルのインピーダンスであってもよい。
このようにすると、ＮＯｘセンサの温度を測定するための温度センサを付設する必要がなくなり、また、セルの温度を反映してＮＯｘセンサの温度情報を直接測定ができるので温度の測定精度が向上する。
【００１３】
前記ＮＯｘセンサは、間隔を開けて積層される２層の固体電解質体の間に区画され外部から被測定ガスを導入する第１測定室と、前記第１測定室に面して配置される検知電極と該検知電極の対極となる基準電極とを備え、前記第１測定室内の酸素濃度に応じた出力電圧を出力する酸素濃度測定セルと、前記第１測定室に面して配置される内側第１ポンプ電極と該内側第１ポンプ電極の対極をなすと共に前記第１測定室外に配置された第１対極電極とを備え、前記酸素濃度測定セルからの前記出力電圧が所定値となるように、前記内側第１ポンプ電極及び前記第１対極電極間に流れる電流を通電制御することで、前記第１測定室内の酸素分圧を制御する第１ポンピングセルと、前記第１測定室に連通して周囲から区画され前記第１測定室から前記酸素分圧が制御された被測定ガスを導入する第２測定室と、前記第２測定室内に面して配置される内側第２ポンプ電極と該内側第２ポンプ電極の対極をなすと共に前記第２測定室外に配置された第２対極電極とを備え、前記内側第２ポンプ電極と前記第２対極電極間に電圧を印加することにより前記第２測定室内の被測定ガス中のＮＯｘ濃度に応じた電流が流れる第２ポンピングセルとを備え、前記温度検出手段は、前記酸素濃度測定セルのインピーダンスを前記温度情報として検出してもよい。
このようにすると、ＮＯｘセンサの温度を測定するための温度センサを付設する必要がなくなり、また、セルの温度を反映してＮＯｘセンサの温度情報を直接測定ができるので温度の測定精度が向上する。
又、上記構成のＮＯｘセンサでは、第２酸素ポンピングセルに流れる電流が、ｎＡあるいはμＡオーダと非常に微小な電流となるが、酸素濃度測定セルのインピーダンスを第１周期で温度情報として検出し、上記ヒータ通電制御手段によるヒータの通電制御を行うことで、微小な電流に基づいて算出されることになるＮＯｘ濃度の検出値の変動（ゆらぎ）を効果的に防止することができる。
【００１４】
本発明のＮＯｘセンサ制御方法は、固体電解質体および該固体電解質体に設けられた一対の電極を備える複数のセルと、前記各セルの少なくとも１つを目標温度に加熱するヒータとを備え、前記セルの１つに被測定ガス中のＮＯｘガスの濃度に応じた電流が流れるＮＯｘセンサを制御し、前記ＮＯｘセンサの温度情報を３０〜８０ｍ秒の範囲内で設定された第１周期で検出する温度検出過程と、前記温度検出過程によって検出された前記温度情報を取得し、取得した前記温度情報に基づいて前記目標温度となるよう前記ヒータの通電制御する動作を、第１周期より短い第２周期にて実行するヒータ通電制御過程とを有する。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、周囲の温度の急変等に伴うＮＯｘセンサの温度変化を抑制してＮＯｘセンサの温度を略一定に保つことができ、ＮＯｘ濃度の検出値の変動（ゆらぎ）を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサ制御装置の構成を示すブロック図である。
【図２】周囲の環境変化によるＮＯｘ濃度の変動（ＮＯｘ濃度換算値のゆらぎ）を示す図である。
【図３】抵抗検出回路の構成を示すブロック図である。
【図４】抵抗検出回路による酸素濃度検出セルの内部抵抗（インピーダンス）の測定フローを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサ制御装置（コントローラ）１の構成を示すブロック図である。ＮＯｘセンサ制御装置１は、図示しない内燃機関（以下、エンジンともいう）を備える車両に搭載され、ＮＯｘセンサ１０が有するコネクタ（図示せず）に電気的に接続されると共に、車両側制御装置（ＥＣＵ９０）にも電気的に接続されている。
そして、ＮＯｘセンサ制御装置１は、ＮＯｘセンサ１０から出力される信号に基づいてＮＯｘ濃度の検出値（濃度換算値）を算出し、その検出値をＥＣＵ９０に出力し、ＥＣＵ９０はＮＯｘ濃度に応じてエンジンの運転状態の制御や触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化、あるいは該触媒の異常検出などの処理を実行する。
【００１８】
ＮＯｘセンサ制御装置１は、ケーシング内に収容された回路基板（図示せず）上に制御回路５８とマイクロコンピュータ６０とを備えている。マイクロコンピュータ６０はＮＯｘセンサ制御装置１全体を制御し、ＣＰＵ（中央演算処理装置）６１、ＲＡＭ６２、ＲＯＭ６３、信号入出力部６４、Ａ／Ｄコンバータ６５、及び図示しないクロックを備え、ＲＯＭ等に予め格納されたプログラムがＣＰＵにより実行される。
制御回路５８は、詳しくは後述する基準電圧比較回路５１、Ｉｐ１ドライブ回路５２、Ｖｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４、Ｉｐ２検出回路５５、Ｖｐ２印加回路５６、ヒータ駆動回路５７、抵抗検出回路５９を備える。制御回路５８は、ＮＯｘセンサ素子１００を制御すると共に、ＮＯｘセンサ素子１００に流れる第１ポンピング電流、第２ポンピング電流を検出してマイクロコンピュータ６０に出力する。
【００１９】
次に、ＮＯｘセンサ１０（ＮＯｘセンサ素子１００）の構成について説明する。ＮＯｘセンサ１０は、長尺板状のＮＯｘセンサ素子１００を所定のハウジングに収容すると共に、ＮＯｘセンサ制御装置１と接続する接続端子やリード線を含むものであるが、センサやハウジング自体の構成は公知であるため、以下ではＮＯｘセンサ素子１００について、長手方向に沿う断面図１を参照して説明する。
ＮＯｘセンサ素子１００は、第１固体電解質層１１１、絶縁層１４０、第２固体電解質層１２１、絶縁層１４５、第３固体電解質層１３１、及び絶縁層１６２、１６３をこの順に積層した構造を有する。第１固体電解質層１１１と第２固体電解質層１２１との層間に中空の第１測定室１５０が画成され、第１測定室１５０の左端（入口）に配置された多孔質状の第１拡散抵抗体１５１を介して外部から被測定ガスが導入される。
第１測定室１５０のうち入口と反対端には多孔質状の第２拡散抵抗体１５２が配置され、第２拡散抵抗体１５２を介して第１測定室１５０の右側には、第１測定室１５０と連通する中空の第２測定室１６０が画成されている。第２測定室１６０は、第２固体電解質層１２１を貫通して第１固体電解質層１１１と第３固体電解質層１３１との層間に形成されている。
【００２０】
絶縁層１６２、１６３の間にはＮＯｘセンサ素子１００の長手方向に沿って延びる長尺板状のヒータ１６４が埋設されている。ヒータ１６４はＮＯｘセンサ素子１００を活性のための目標温度に昇温し、固体電解質層の酸素イオンの伝導性を高めて動作を安定化させるために用いられる。又、後述するように、ヒータ１６４は所定の周期で通電制御され、周囲の温度の急変に対してＮＯｘセンサ素子１００（ＮＯｘセンサ１０）を略一定の温度に保っている。
絶縁層１４０，１４５はアルミナを主体とし、第１拡散抵抗体１５１及び第２拡散抵抗体１５２はアルミナ等の多孔質物質からなる。又、ヒータ１６４は白金等からなる。
【００２１】
第１ポンピングセル１１０は、酸素イオン伝導性を有するジルコニアを主体とする第１固体電解質層１１１と、これを挟持するように配置された内側第１ポンピング電極１１３及び対極となる第１対極電極１１２とを備え、内側第１ポンピング電極１１３は第１測定室１５０に面している。内側第１ポンピング電極１１３及び第１対極電極１１２はいずれも白金を主体とし、各電極の表面は多孔質体からなる保護層１１４でそれぞれ覆われている。
【００２２】
酸素濃度検出セル１２０は、ジルコニアを主体とする第２固体電解質層１２１と、これを挟持するように配置された検知電極１２２及び基準電極１２３とを備え、検知電極１２２は内側第１ポンピング電極１１３より下流側で第１測定室１５０に面している。検知電極１２２及び基準電極１２３はいずれも白金を主体としている。
なお、絶縁層１４５は、第２固体電解質層１２１に接する基準電極１２３が内部に配置されるように切り抜かれ、その切り抜き部には多孔質体が充填されて基準酸素室１７０を形成している。そして、酸素濃度検出セル１２０にＩｃｐ供給回路５４を用いて予め微弱な一定値の電流Ｉｃｐを流すことにより、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、酸素基準とする。
【００２３】
第２ポンピングセル１３０は、ジルコニアを主体とする第３固体電解質層１３１と、第３固体電解質層１３１のうち第２測定室１６０に面した表面に配置された内側第２ポンピング電極１３３及び対極となる第２対極電極１３２とを備えている。内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２はいずれも白金を主体としている。
なお、第２対極電極１３２は、第３固体電解質層１３１上における絶縁層１４５の切り抜き部に配置され、基準電極１２３に対向して基準酸素室１７０に面している。
【００２４】
そして、内側第１ポンピング電極１１３、検知電極１２２、内側第２ポンピング電極１３３はそれぞれ基準電位に接続されている。第１対極電極１１２はＩｐ１ドライブ回路５２に接続され、基準電極１２３はＶｓ検出回路５３、Ｉｃｐ供給回路５４及び抵抗検出回路５９に並列に接続されている。又、第２対極電極１３２はＩｐ２検出回路５５及びＶｐ２印加回路５６に並列に接続されている。ヒータ駆動回路５７はヒータ１６４に接続されている。
【００２５】
制御回路５８における各回路は、以下のような機能を有する。
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、内側第１ポンピング電極１１３及び第１対極電極１１２の間に第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給しつつ、その際の第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。
Ｖｓ検出回路５３は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間の電圧Ｖｓを検出し、検出結果を基準電圧比較回路５１に出力する。
基準電圧比較回路５１は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路５３の出力とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路５２に出力する。そして、Ｉｐ１ドライブ回路５２は、電圧Ｖｓが上記基準電圧に等しくなるように第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさ及び通電方向を制御し、第１測定室１５０内の酸素濃度をＮＯｘが分解しない程度に調整する。
Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、基準電極１２３を基準となる所定の酸素濃度に晒させる。
Ｖｐ２印加回路５６は、内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２の間に、被測定ガス中のＮＯｘ（具体的にはＮＯ）が酸素とＮ２に分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。
Ｉｐ２検出回路５５は、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１６０から汲み出されるように第２ポンピングセル１３０（内側第２ポンピング電極１３３及び第２対極電極１３２の間）に流れる第２ポンピング電流Ｉｐ２を電圧変換して検出する。
【００２６】
Ｉｐ１ドライブ回路５２は、検出した第１ポンピング電流Ｉｐ１の値を電圧変換してＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。又、Ｉｐ２検出回路５５は、検出した第２ポンピング電流Ｉｐ２の値を電圧変換してＡ／Ｄコンバータ６５に出力する。
Ａ／Ｄコンバータ６５はこれらの値をデジタル変換し、信号入出力部６４を介してＣＰＵ６１に出力する。
【００２７】
次に、抵抗検出回路５９とヒータ駆動回路５７を用いたヒータ１６４の通電制御について説明する。なお、抵抗検出回路５９及びマイクロコンピュータ６０（のＣＰＵ６１）が特許請求の範囲の「温度検出手段」に相当し、ヒータ駆動回路５７及びマイクロコンピュータ６０（のＣＰＵ６１）が特許請求の範囲の「ヒータ通電制御手段」に相当する。
抵抗検出回路５９は、図３に示すように、定電流源回路２２３、第１電圧保持回路２２１、差動増幅回路２２５、第２電圧保持回路２２７を主体に構成されている。定電流源回路２２３は、スイッチＳＷ１を介して、酸素濃度検出セル１２０の基準電極１２３に接続されている。第１電圧保持回路２２１は、スイッチ、抵抗器、コンデンサよりなる公知の回路構成からなり、一端が酸素濃度検出セル１２０の基準電極１２３に接続され、他端が、基準電位と差動増幅回路２２５の第１入力端の各々に接続されている。差動増幅回路２２５の第２入力端は、基準電極１２３と第１電圧保持回路２２１との間の接続点に接続され、出力端が第２電圧保持回路２２７に接続されている。第２電圧保持回路２２７は、第１電圧保持回路２２１と同様に公知の回路構成からなり、出力端が、マイクロコンピュータ６０のＡ／Ｄコンバータ６５に接続されている。
【００２８】
そして、本発明においては、抵抗検出回路５９による酸素濃度検出セル１２０の内部抵抗（インピーダンス）の測定を、以下による手順で行うが、この測定周期を３０〜８０ｍ秒内の一定値に設定している。なお、抵抗検出回路５９の測定周期が、特許請求の範囲の「第１周期」に相当する。マイクロコンピュータ６０のＣＰＵ６１にて実行される、具体的な酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスの測定を、図４に示すフローチャートを参照して説明する。本実施形態では、第１周期を５０ｍ秒に設定した例を以下では説明する。
【００２９】
図４において、まず、Ｓ１（Ｓはステップを表し、以下も同様とする）にて、第１電圧保持回路２２１による電圧保持を開始する。これにより、第１電圧保持回路２２１にて保持された電圧値が、差動増幅回路２２５の第１入力端に出力される。次いで、Ｓ２に進み、スイッチＳＷ１をオフからオン状態に切り替える。これにより、定電流源回路２２３からインピーダンス検出用の定電流が酸素濃度検出セル１２０に流れる。次いで、Ｓ３に進み、第２電圧保持回路２２７の電圧保持を解除する処理を行う。これにより、差動増幅回路２２５から出力される電圧信号（第１入力端と第２入力端とに入力される電圧の差電圧ΔＶ）が、第２電圧保持回路２２７に入力（充電）される。
【００３０】
そして、Ｓ４に進み、一定時間（本実施形態では６０μ秒に設定）が経過したか否かが判定される。このＳ４の判定条件が成立し、一定時間が経過すると、Ｓ５に進んで、第２電圧保持回路２２７の電圧保持を行う。これにより、第２電圧保持回路２２７にて、差動増幅回路２２５から出力される電圧信号（差電圧ΔＶ）が保持される。次いで、Ｓ６に進み、スイッチＳＷ１をオンからオフ状態に切り替え、インピーダンス検出用の定電流の通電を停止し、Ｓ７に進む。Ｓ７では、第１電圧保持回路２２１の電圧保持を解除する。そして、Ｓ７の処理後、Ｓ８に進み、この図４に示すＳ１からの酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスの測定処理が開始されてから、第１周期である５０ｍ秒が経過したか否が判定される。Ｓ８の判定条件が成立し、５０ｍ秒が経過すると、Ｓ１に戻って以降の処理を繰り返し実行する。
【００３１】
一方、マイクロコンピュータ６０のＣＰＵ６１では、図４に示した酸素濃度測定セル１２０のインピーダンスの測定処理とは、別途独立して、ヒータ１６４の通電制御処理が実行される。このヒータ１６４の通電制御処理は、上記した酸素濃度測定セル１２０のインピーダンスの測定処理の第１周期（本実施形態では、５０ｍ秒）よりも短い第２周期（本実施形態では、１０ｍ秒）で実行されるものである。具体的な処理としては、抵抗検出回路５９からの出力（具体的には、第２電圧保持回路２５７が保持する電圧信号（差電圧ΔＶ）を取得し（読み込み）、この取得した差電圧ΔＶと、定電流源回路２２３より供給される定電流値とに基づき、酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスＲｐｖｓを算出する。そして、この算出されたインピーダンスＲｐｖｓの値が、ＮＯｘセンサ素子１００が活性する目標温度に対応した目標インピーダンス値になるように、ヒータ１６４への通電を行うためのデューティ比を算出し、算出したデューティ比に基づいてヒータ駆動回路５７を駆動して、ヒータ１６４への印加電圧をＰＷＭ制御（ＰＷＭ通電）する。この一連のヒータ１６４の通電制御処理が、第２周期（本実施形態では、１０ｍ秒）を経過する毎に繰り返し実行される。なお、上記のデューティ比は、酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスＲｐｖｓの他に、ヒータ１６４に電圧を供給するための電源電圧の値を含めて、公知の手法のもとで算出すればよい。
【００３２】
以上のようにして、抵抗検出回路５９で測定した差電圧ΔＶに基づき、ＣＰＵ６１で酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスＲｐｖｓ（すなわち、ＮＯｘセンサ素子１００の温度情報に相当）を算出し、このインピーダンスＲｐｖｓに基づきヒータ１６４の通電制御を実行する。
【００３３】
なお、本発明の実施形態に係るＮＯｘセンサ制御方法において、ＣＰＵ６１による抵抗検出回路５９の制御処理が、特許請求の範囲の「温度検出過程」に相当する。又、ＣＰＵ６１によるヒータ駆動回路５７を介してのヒータ１６４の通電制御処理が、特許請求の範囲の「ヒータ通電制御過程」に相当する。
【００３４】
次に、制御回路５８を用いたＮＯｘセンサ１０の制御の一例について説明する。まず、エンジンが始動されて外部電源から電力の供給を受けると、ヒータ駆動回路５７を介してヒータ１６４が作動し、第１ポンピングセル１１０、酸素濃度検出セル１２０、第２ポンピングセル１３０を活性化温度まで加熱する。又、Ｉｃｐ供給回路５４は、検知電極１２２及び基準電極１２３の間に微弱な電流Ｉｃｐを流し、酸素を第１測定室１５０から基準酸素室１７０内に送り込み、酸素基準とする。
【００３５】
そして、各セル１１０〜１３０が活性化温度まで加熱されると、第１ポンピングセル１１０は、第１測定室１５０に流入した被測定ガス（排ガス）中の酸素を内側第１ポンピング電極１１３から第１対極電極１１２へ向かって汲み出す。
このとき、第１測定室１５０内の酸素濃度は、酸素濃度検出セル１２０の電極間電圧（端子間電圧）Ｖｓに対応したものとなるため、この電極間電圧Ｖｓが上記基準電圧になるように、Ｉｐ１ドライブ回路５２が第１ポンピングセル１１０に流れる第１ポンピング電流Ｉｐ１を制御し、第１測定室１５０内の酸素濃度（酸素分圧）を所定値に調整する。
【００３６】
酸素濃度が調整された被測定ガスは第２測定室１６０に向かってさらに流れる。そして、Ｖｐ２印加回路５６は、第２ポンピングセル１３０の電極間電圧（端子間電圧）として、被測定ガス中のＮＯｘガスが酸素とＮ２ガスに分解する程度の一定電圧Ｖｐ２（酸素濃度検出セル１２０の制御電圧の値より高い電圧、例えば４５０ｍＶ）を印加し、ＮＯｘを窒素と酸素に分解する。そして、ＮＯｘの分解により生じた酸素が第２測定室１６０から汲み出されるよう、第２ポンピングセル１３０に第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。この際、第２ポンピング電流Ｉｐ２とＮＯｘ濃度の間には直線関係があるため、Ｉｐ２検出回路５５が第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出することにより、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００３７】
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、上記実施形態では、酸素濃度検出セル１２０のインピーダンスＲｐｖｓを測定してＮＯｘセンサ１０（ＮＯｘセンサ素子１００）の温度情報を求めたが、第１ポンピングセル１１０又は第２ポンピングセル１３０のインピーダンスを測定してＮＯｘセンサ１０の温度情報を求めてもよい。
又、上記インピーダンスに代え、所定の温度センサをＮＯｘセンサ１０に設けることで、ＮＯｘセンサ１０の温度情報を測定してもよい。
【００３８】
又、上記実施形態では、ＮＯｘセンサ素子を構成する固体電解質層を３層としたが、固体電解質層を２層としてもよい。
又、上記実施形態では、第２ポンピングセルの電圧をＶｐ２に制御したときの第２ポンプ電流Ｉｐ２をＮＯｘ濃度に換算しているが、第２ポンピングセルの電圧Ｖｐ２を測定し、第２測定室の酸素分圧に応じた起電力を示すＶｐ２をＮＯｘ濃度に換算してもよい。
【実施例】
【００３９】
図１に示すＮＯｘセンサ１０を、内径３６．５ｍｍの排気管内に取付けた。ＮＯｘセンサ１０には、図１に示すＮＯｘセンサ制御装置１が接続されている。排気管に室温、大気圧の空気が満たされた状態で、ＮＯｘセンサ１０により排気管中のＮＯｘガス濃度を２０秒間測定した。その後、排気管の一端から３０ｍ／秒の風速で空気を送り、排気管中のＮＯｘガス濃度を２０秒間測定した。その後、風速を０としてさらに排気管中のＮＯｘガス濃度を２０秒間測定した。
なお、第１周期をそれぞれ１０ｍ秒、５０ｍ秒として測定を行い、第２周期を１０ｍ秒として測定を行った。
得られた結果を図２に示す。無風の状態では、第１周期が５０ｍ秒の場合と１０ｍ秒の場合とで、ＮＯｘ濃度換算値（第２ポンピング電流Ｉｐ２から換算されるＮＯｘ濃度の検出値）に差が生じなかった。また、モデルガスの風速を３０ｍ／ｓとしても、第１周期５０ｍ秒、１０ｍ秒とで差が生じなかった。但し、第１周期を短くしすぎると、かえってＮＯｘ濃度の検出精度が低下する可能性がある。このようなことから、第１周期を３０ｍ秒以上としている。
【００４０】
風速を３０ｍ／ｓとすると、ＮＯｘセンサ１０が空気で急冷されて温度が変化するが、第１周期を５０ｍ秒とすれば、このＮＯｘセンサ１０の温度の急変を緩和するようにヒータ１６４を加熱してＮＯｘセンサ１０の温度を一定に保つことができたものと考えられる。
【符号の説明】
【００４１】
１                                              ＮＯｘセンサ制御装置
１０                                            ＮＯｘセンサ
５７                                            ヒータ通電制御手段（ヒータ駆動回路）
５９                                              温度検出手段（抵抗検出回路）
６１                                              温度検出手段、ヒータ通電制御手段（マイクロコンピュータのＣＰＵ）
１００                                            ＮＯｘセンサ素子
１１０                                            セル（第１ポンピングセル）
１２０                                            セル（第２ポンピングセル）
１３０                                            セル（酸素濃度検知セル）
１１１、１２１、１３１                            固体電解質体
１１２、１１３、１２２、１２３、１３２、１３３    一対の電極
１５０                                            第１測定室
１６０                                            第２測定室
１６４                                            ヒータ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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