(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガスに曝されるガスセンサ素子（１０）と、該ガスセンサ素子（１０）の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部（１１）とを備えるガス濃度検出装置（１）であって、
上記ガスセンサ素子（１０）は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（７）と、基準ガスが導入される基準ガス室（１２）と、上記被測定ガス室（７）と上記基準ガス室（１２）との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）の両面に設けられた複数の電極（８）とを備え、
上記固体電解質体（２）と上記電極（８）とにより、上記被測定ガス室（７）における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（３）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセル（４）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセル（５）とを形成してあり、
上記算出部（１１）は、上記モニタセル（４）に流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセル（５）に流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部（１１）は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセル（３）に加える電圧を、上記特定ガスの濃度を算出するときの値よりも低くし、その状態で上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（１）を用いることにより、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
Ｉｓ／Ｉｍ＝α’          （１）
上記算出部（１１）は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（２）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （２）
【請求項２】
被測定ガスに曝されるガスセンサ素子（１０）と、該ガスセンサ素子（１０）の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部（１１）とを備えるガス濃度検出装置（１）であって、
上記ガスセンサ素子（１０）は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（７）と、基準ガスが導入される基準ガス室（１２）と、上記被測定ガス室（７）と上記基準ガス室（１２）との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）の両面に設けられた複数の電極（８）とを備え、
上記固体電解質体（２）と上記電極（８）とにより、上記被測定ガス室（７）における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（３）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセル（４）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセル（５）とを形成してあり、
上記算出部（１１）は、上記モニタセル（４）に流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセル（５）に流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部（１１）は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセル（３）に互いに値が異なる第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）とを加え、上記第１電圧（Ｖ１）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ１及び上記センサセル電流Ｉｓ１を測定すると共に、上記第２電圧（Ｖ２）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ２及び上記センサセル電流Ｉｓ２を測定し、下記式（３）を用いて、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）＝α’          （３）
上記算出部（１１）は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（４）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （４）
【請求項３】
被測定ガスに曝されるガスセンサ素子（１０）と、該ガスセンサ素子（１０）の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部（１１）とを備えるガス濃度検出装置（１）であって、
上記ガスセンサ素子（１０）は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（７）と、基準ガスが導入される基準ガス室（１２）と、上記被測定ガス室（７）と上記基準ガス室（１２）との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）の両面に設けられた複数の電極（８）とを備え、
上記固体電解質体（２）と上記電極（８）とにより、上記被測定ガス室（７）における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（３）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセル（４）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセル（５）とを形成してあり、
上記算出部（１１）は、上記モニタセル（４）に流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセル（５）に流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部（１１）は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセル（３）に加える電圧を、上記特定ガスの濃度を算出するときの値よりも高くし、その状態で上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（５）を用いることにより、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
Ｉｓ／Ｉｍ＝α’          （５）
上記算出部（１１）は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（６）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （６）
【請求項４】
被測定ガスに曝されるガスセンサ素子（１０）と、該ガスセンサ素子（１０）の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部（１１）とを備えるガス濃度検出装置（１）であって、
上記ガスセンサ素子（１０）は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室（７）と、基準ガスが導入される基準ガス室（１２）と、上記被測定ガス室（７）と上記基準ガス室（１２）との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体（２）と、該固体電解質体（２）の両面に設けられた複数の電極（８）とを備え、
上記固体電解質体（２）と上記電極（８）とにより、上記被測定ガス室（７）における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセル（３）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセル（４）と、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセル（５）とを形成してあり、
上記算出部（１１）は、上記モニタセル（４）に流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセル（５）に流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部（１１）は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれない状態において、上記ポンプセル（３）に互いに値が異なる第１電圧（Ｖ１）と第２電圧（Ｖ２）とを加え、上記第１電圧（Ｖ１）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ１及び上記センサセル電流Ｉｓ１を測定すると共に、上記第２電圧（Ｖ２）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ２及び上記センサセル電流Ｉｓ２を測定し、下記式（７）を用いて、上記センサセル電流Ｉｓから、酸素および上記特定ガスの有無に関わらず流れる成分であるオフセット電流Ｉｏｆｆを減算した値Ｉｓ−Ｉｏｆｆと、上記モニタセル電流Ｉｍから上記オフセット電流Ｉｏｆｆを減算した値Ｉｍ−Ｉｏｆｆとの比である減算値感度比βを算出すると共に、下記式（８）を用いて上記オフセット電流Ｉｏｆｆを算出し、
β＝（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）          （７）
Ｉｏｆｆ＝（Ｉｓ１−βＩｍ１）／（１−β）          （８）
上記算出部（１１）は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（９）を用いて上記特定ガス起因電流Ｉｘを算出して、上記特定ガスの濃度を求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置（１）。
Ｉｘ＝Ｉｓ−{β（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ}          （９）
【請求項５】
上記算出部（１１）は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセル（３）に互いに値が異なる第３電圧（Ｖ３）と第４電圧（Ｖ４）とを加え、上記第３電圧（Ｖ３）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ３及び上記センサセル電流Ｉｓ３を測定すると共に、上記第４電圧（Ｖ４）を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ４及び上記センサセル電流Ｉｓ４を測定し、下記式（１０）を用いて、上記減算値感度比βの近似値β’を算出すると共に、下記式（１１）を用いて、上記オフセット電流Ｉｏｆｆの近似値Ｉｏｆｆ’を算出し、
β’＝（Ｉｓ３−Ｉｓ４）／（Ｉｍ３−Ｉｍ４）          （１０）
Ｉｏｆｆ’＝（Ｉｓ３−β’Ｉｍ３）／（１−β’）          （１１）
上記算出部（１１）は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（１２）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とする請求項４に記載のガス濃度検出装置（１）。
Ｉｘ’＝Ｉｓ−{β’（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ’）＋Ｉｏｆｆ’}          （１２）
【請求項６】
上記被測定ガス室（７）は、上記ポンプセル（３）を形成した側から、上記モニタセル（４）及び上記センサセル（５）を形成した側にわたって、上記固体電解質体（２）の厚さ方向における間隔が一定であると共に、上記被測定ガスの流れ方向と上記厚さ方向との双方に直交する幅方向における間隔が一定であり、一体的に形成されていることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置（１）。
【請求項７】
上記ポンプセル（３）と上記モニタセル（４）と上記センサセル（５）とは、１つの上記固体電解質体（２）を共有していることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のガス濃度検出装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自動車の排ガスに含まれるＮＯｘ等の濃度を検出するガス濃度検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車の排ガス等に曝されるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の出力を用いて、上記排ガスに含まれるＮＯｘ等の濃度を算出する算出部と、を備えるガス濃度検出装置が知られている（下記特許文献１参照）。
【０００３】
上記ガスセンサ素子は、酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に形成した複数の電極とを備える。この固体電解質体と電極によって、ポンプセルと、モニタセルと、センサセルとの３個のセルを形成してある。ポンプセルは、被測定ガスの酸素濃度を低減するためのセルである。モニタセルは、ポンプセルによって酸素濃度を低減させた被測定ガスに、僅かに残留する酸素の濃度を検出するためのセルである。また、センサセルは、ポンプセルによって酸素濃度を低減させた被測定ガスに含まれる、酸素と特定ガス（ＮＯｘ）との合計の濃度を検出するためのセルである。
【０００４】
モニタセルには、上記被測定ガスに残留する酸素の濃度に対応した量の電流（モニタセル電流Ｉｍ）が流れる。また、センサセルにも電流（センサセル電流Ｉｓ）が流れる。センサセルは、酸素と特定ガスとにそれぞれ活性を有するため、センサセル電流Ｉｓには、酸素濃度に起因する成分（酸素起因電流Ｉｓｏ）と、特定ガス濃度に起因する成分（特定ガス起因電流Ｉｘ）とが含まれる。特定ガスの濃度を正確に算出するためには、センサセル電流Ｉｓから酸素起因電流Ｉｓｏを除去し、特定ガス起因電流Ｉｘの値を正確に算出する必要がある。
【０００５】
しかしながら、通常、酸素起因電流Ｉｓｏは直接測定できない。そのため上記ガス濃度検出装置では、酸素起因電流Ｉｓｏの代わりにモニタセル電流Ｉｍを用いている。すなわち、モニタセル電流Ｉｍは、酸素起因電流Ｉｓｏと同様に、酸素濃度と相関関係があるため、このモニタセル電流Ｉｍをセンサセル電流Ｉｓ（＝Ｉｓｏ＋Ｉｘ）から減算し、特定ガス起因電流Ｉｘの近似値を求めている。そして、得られた値を用いて、特定ガスの濃度を算出している。これらの演算は、上記算出部が行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第３９７９２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記ガス濃度検出装置は、特定ガスの濃度を正確に測定できないことがある。すなわち、モニタセルを構成する電極は、酸素分子のみを還元する金属、例えばＰｔ−Ａｕ合金からなり、センサセルを構成する電極は、酸素分子と特定ガスを両方とも還元する金属、例えばＰｔ−Ｒｈ合金からなる。このように、モニタセルとセンサセルは、電極の材料が互いに異なるため、酸素濃度に対する感度が互いに異なる。また、各電極の面積には製造ばらつきがある。そのため、モニタセル電流Ｉｍと酸素起因電流Ｉｓｏとは、正確に一致していない場合が多い。したがって、上述のようにセンサセル電流Ｉｓ（＝Ｉｘ＋Ｉｓｏ）からモニタセル電流Ｉｍを減算しても、特定ガス起因電流Ｉｘを正確に算出できない。そのため、特定ガスの濃度を正確に求めることができない。
【０００８】
本発明は、かかる背景に鑑みてなされたもので、特定ガスの濃度をより正確に算出できるガス濃度検出装置を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様は、被測定ガスに曝されるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部とを備えるガス濃度検出装置であって、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、基準ガスが導入される基準ガス室と、上記被測定ガス室と上記基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に設けられた複数の電極とを備え、
上記固体電解質体と上記電極とにより、上記被測定ガス室における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセルとを形成してあり、
上記算出部は、上記モニタセルに流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセルに流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセルに加える電圧を、上記特定ガスの濃度を算出するときの値よりも低くし、その状態で上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（１）を用いることにより、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
Ｉｓ／Ｉｍ＝α’          （１）
上記算出部は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（２）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置にある。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （２）
また、本発明の第２の態様は、被測定ガスに曝されるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部とを備えるガス濃度検出装置であって、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、基準ガスが導入される基準ガス室と、上記被測定ガス室と上記基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に設けられた複数の電極とを備え、
上記固体電解質体と上記電極とにより、上記被測定ガス室における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセルとを形成してあり、
上記算出部は、上記モニタセルに流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセルに流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセルに互いに値が異なる第１電圧と第２電圧とを加え、上記第１電圧を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ１及び上記センサセル電流Ｉｓ１を測定すると共に、上記第２電圧を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ２及び上記センサセル電流Ｉｓ２を測定し、下記式（３）を用いて、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）＝α’          （３）
上記算出部は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（４）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置にある。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （４）
また、本発明の第３の態様は、被測定ガスに曝されるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部とを備えるガス濃度検出装置であって、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、基準ガスが導入される基準ガス室と、上記被測定ガス室と上記基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に設けられた複数の電極とを備え、
上記固体電解質体と上記電極とにより、上記被測定ガス室における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセルとを形成してあり、
上記算出部は、上記モニタセルに流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセルに流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれているときに、上記ポンプセルに加える電圧を、上記特定ガスの濃度を算出するときの値よりも高くし、その状態で上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（５）を用いることにより、上記酸素起因電流Ｉｓｏを上記モニタセル電流Ｉｍで除した値である感度比αの近似値α’を算出し、
Ｉｓ／Ｉｍ＝α’          （５）
上記算出部は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（６）を用いて、上記特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出することにより、上記特定ガスの濃度を近似的に求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置にある。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’          （６）
また、本発明の第４の態様は、被測定ガスに曝されるガスセンサ素子と、該ガスセンサ素子の出力を用いて、上記被測定ガスに含まれる特定ガスの濃度を算出する算出部とを備えるガス濃度検出装置であって、
上記ガスセンサ素子は、上記被測定ガスが導入される被測定ガス室と、基準ガスが導入される基準ガス室と、上記被測定ガス室と上記基準ガス室との間に介在し酸素イオン伝導性を有する固体電解質体と、該固体電解質体の両面に設けられた複数の電極とを備え、
上記固体電解質体と上記電極とにより、上記被測定ガス室における上記被測定ガスの酸素濃度を調整するポンプセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるモニタセルと、上記被測定ガス中の酸素濃度に対応した量の電流と上記特定ガスの濃度に対応した量の電流との合計の電流が流れるセンサセルとを形成してあり、
上記算出部は、上記モニタセルに流れる電流であるモニタセル電流Ｉｍの値を、上記センサセルに流れる電流であるセンサセル電流Ｉｓのうち酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正し、その補正値Ｉｍ’を上記センサセル電流Ｉｓから減算することにより、上記センサセル電流Ｉｓのうち上記特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘを求めて、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を算出するよう構成されており、
上記算出部は、上記被測定ガスに上記特定ガスが含まれない状態において、上記ポンプセルに互いに値が異なる第１電圧と第２電圧とを加え、上記第１電圧を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ１及び上記センサセル電流Ｉｓ１を測定すると共に、上記第２電圧を加えた状態における上記モニタセル電流Ｉｍ２及び上記センサセル電流Ｉｓ２を測定し、下記式（７）を用いて、上記センサセル電流Ｉｓから、酸素および上記特定ガスの有無に関わらず流れる成分であるオフセット電流Ｉｏｆｆを減算した値Ｉｓ−Ｉｏｆｆと、上記モニタセル電流Ｉｍから上記オフセット電流Ｉｏｆｆを減算した値Ｉｍ−Ｉｏｆｆとの比である減算値感度比βを算出すると共に、下記式（８）を用いて上記オフセット電流Ｉｏｆｆを算出し、
β＝（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）          （７）
Ｉｏｆｆ＝（Ｉｓ１−βＩｍ１）／（１−β）          （８）
上記算出部は、上記被測定ガス中の上記特定ガスの濃度を検出するときに、上記センサセル電流Ｉｓと上記モニタセル電流Ｉｍとを測定し、下記式（９）を用いて上記特定ガス起因電流Ｉｘを算出して、上記特定ガスの濃度を求めるよう構成されていることを特徴とするガス濃度検出装置にある。
Ｉｘ＝Ｉｓ−{β（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ}          （９）
【発明の効果】
【００１０】
上記ガス濃度検出装置の算出部は、特定ガスの濃度を算出するときに、モニタセル電流Ｉｍの値を、上記酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正する。
そのため、特定ガスの濃度をより正確に算出することが可能になる。すなわち、上述したように、センサセル電流Ｉｓには、特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘと、上記酸素起因電流Ｉｓｏとが含まれる。上記補正処理を行うと、補正後のモニタセル電流Ｉｍ’は、酸素起因電流Ｉｓｏに近い値になる。そのため、補正後のモニタセル電流Ｉｍ’をセンサセル電流Ｉｓ（＝Ｉｘ＋Ｉｓｏ）から減算すれば、
Ｉｓ−Ｉｍ’＝（Ｉｘ＋Ｉｓｏ）−Ｉｍ’≒Ｉｘ
となり、正確な特定ガス起因電流Ｉｘを算出することができる。そのため、特定ガスの濃度を正確に算出することが可能になる。
【００１１】
以上のごとく、本発明によれば、特定ガスの濃度をより正確に算出できるガス濃度検出装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における、ガスセンサ素子の断面図。
【図２】図１のII-II断面図。
【図３】図１のIII-III断面図。
【図４】実施例１における、ガスセンサ素子の分解斜視図。
【図５】実施例１における、ＮＯｘを含有する被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧と、モニタセル電流及びセンサセル電流との関係を表したグラフ。
【図６】図５における、Ｖｐを約０．３７Ｖにしたときの、センサセル電流とモニタセル電流の内訳を表したグラフ。
【図７】実施例１における、ＮＯｘを含有しない被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧と、モニタセル電流及びセンサセル電流との関係を表したグラフ。
【図８】実施例１における、ＮＯｘを含有しない被測定ガスを測定したときの、モニタセル電流とセンサセル電流との相関関係を表したグラフ。
【図９】実施例１における、ＮＯｘを含有しない被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧Ｖｐと、Ｉｍ、Ｉｓ、Ｉｍ−Ｉｓ、Ｉｍ−αＩｓとの関係を表したグラフ。
【図１０】実施例１における、ＮＯｘを含有する被測定ガスを、Ｖｐを約０．２Ｖにして測定したときの、センサセル電流とモニタセル電流の内訳を表したグラフ。
【図１１】図１０に示すモニタセル電流とセンサセル電流との、相関関係を表したグラフ。
【図１２】実施例２における、ＮＯｘを含有する被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧と、モニタセル電流及びセンサセル電流との関係を、Ｖ１，Ｖ２，Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｓ１，Ｉｓ２の値と共に表したグラフ。
【図１３】ポンプセル電圧Ｖｐを、図１２に示すＶ１，Ｖ２にしたときの、センサセル電流の内訳を表したグラフ。
【図１４】ポンプセル電圧Ｖｐを、図１２に示すＶ１，Ｖ２にしたときの、モニタセル電流の内訳を表したグラフ。
【図１５】実施例３における、ＮＯｘを含有する被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧と、モニタセル電流及びセンサセル電流との関係を、Ｖ０，Ｖ３の値と共に記したグラフ。
【図１６】ポンプセル電圧Ｖｐを、図１５に示すＶ３にしたときの、｜センサセル電流｜と｜モニタセル電流｜の内訳を表したグラフ。
【図１７】実施例４における、ＮＯｘを含有しない被測定ガスを測定したときの、ポンプセル電圧と、モニタセル電流及びセンサセル電流との関係を、Ｖ１，Ｖ２の値と共に記したグラフ。
【図１８】実施例４における、Ｉｍ１とＩｓ１の内訳を表すグラフ。
【図１９】実施例４における、Ｉｍ２とＩｓ２の内訳を表すグラフ。
【図２０】実施例４における、ＮＯｘを含有する被測定ガスを測定したときの、ＩｍとＩｓの内訳を表すグラフ。
【図２１】実施例５における、ポンプセル電圧をＶ３、Ｖ４にしたときの、センサセル電流Ｉｓ３，Ｉｓ４の内訳を表すグラフ。
【図２２】実施例５における、ポンプセル電圧をＶ３、Ｖ４にしたときの、モニタセル電流Ｉｍ３，Ｉｍ４の内訳を表すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
上記ガス濃度検出装置は、例えば、自動車の排ガスに含まれるＮＯｘの濃度を測定するためのＮＯｘ濃度検出装置とすることができる。
【実施例】
【００１４】
（実施例１）
上記ガス濃度検出装置に係る実施例について、図１〜図１１を用いて説明する。図１〜図４に示すごとく、本例のガス濃度検出装置１は、ガスセンサ素子１０と、算出部１１とを備える。ガスセンサ素子１０は、その先端１００が被測定ガスｇに曝されている。算出部１１は、ガスセンサ素子１０の出力電流を用いて、被測定ガスｇに含まれる特定ガスの濃度を算出する。
【００１５】
ガスセンサ素子１０は、被測定ガス室７と、基準ガス室１２と、固体電解質体２と、複数の電極８とを備える。被測定ガス室７には、被測定ガスｇが導入される。また、基準ガス室７には、大気等の基準ガスが導入される。固体電解質体２は、被測定ガス室７と基準ガス室１２との間に介在している。固体電解質体２は、酸素イオン伝導性を有する材料から構成されている。電極８は、固体電解質体２の両面に形成されている。
【００１６】
図１〜図３に示すごとく、固体電解質体２と電極８とにより、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５とを形成してある。ポンプセル３は、被測定ガス室７における被測定ガスｇ中の酸素濃度を調整するセルである。モニタセル４は、被測定ガスｇ中の酸素濃度に対応した量の電流が流れるセルである。また、センサセル５は、被測定ガスｇ中の酸素濃度に対応した量の電流と、特定ガス濃度に対応した量の電流との、合計の電流が流れるセルである。
【００１７】
モニタセル４にはモニタセル電流Ｉｍが流れ、センサセル５にはセンサセル電流Ｉｓが流れる。センサセル電流Ｉｓには、酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏ（図６参照）と、特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘとがある。算出部１１は、モニタセル電流Ｉｍの値を、酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正処理を行う。そして、その補正したモニタセル電流Ｉｍ’の値をセンサセル電流Ｉｓから減算することにより、特定ガス起因電流Ｉｘを求める。この特定ガス起因電流Ｉｘの値を用いて、被測定ガスｇ中の特定ガスの濃度を算出する。
【００１８】
本例のガス濃度検出装置１は、自動車の排ガス等に含まれるＮＯｘ濃度を測定するための、ＮＯｘ濃度検出装置である。すなわち、本例における被測定ガスｇは自動車の排ガスであり、特定ガスはＮＯｘである。ガスセンサ素子１０全体は、図示しない筒状のケースに収容され、自動車の排気管に取り付けられている。ガスセンサ素子１０の先端部１００は排気管内に差し込まれ、後端部は、基準ガスである大気に露出している。
【００１９】
図１〜図４に示すごとく、電極８には、固体電解質体２の被測定ガス室７側の主面２１に形成されたポンプ電極８ｐ及びモニタ電極８ｍ及びセンサ電極８ｓと、固体電解質体２の基準ガス室１２側の主面に形成された基準電極８ｂとがある。固体電解質体２と、ポンプ電極８ｐと、基準電極８ｂとによって、上記ポンプセル３が形成されている。また、固体電解質体２と、モニタ電極８ｍと、基準電極８ｂとによって、上記モニタセル４が形成されている。また、固体電解質体２と、センサ電極８ｓと、基準電極８ｂとによって、上記センサセル５が形成されている。
【００２０】
被測定ガスｇ中のＮＯｘ濃度を測定する方法について説明する。図１に示すごとく、被測定ガスｇは、拡散抵抗層１３を通って、被測定ガス室７に導入される。被測定ガスｇには酸素分子が含まれるため、ポンプセル３を使って、酸素分子を排出する。すなわち、基準電極８ｂとポンプ電極８ｐとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、ポンプ電極８ｐにおいて酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室１２へ排出される。ポンプセル３に加える直流電圧の大きさを調整することにより、被測定ガス室７内の酸素濃度を制御するよう構成されている。
【００２１】
酸素濃度が低減した被測定ガスｇは、モニタセル４とセンサセル５へ導入される。この被測定ガスｇには、ポンプセル３において排出しきれなかった酸素分子が含まれているため、この酸素分子の濃度をモニタセル４によって測定する。図３に示すごとく、モニタセル４では、基準電極８ｂとモニタ電極８ｍとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。このようにすると、被測定ガスｇに含まれる酸素分子が還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により基準ガス室１２へ排出される。モニタ電極８ｍは、後述するように、ＮＯｘの分解に不活性なＰｔ−Ａｕサーメット電極によって形成されているため、モニタセル４に流れる電流（モニタセル電流Ｉｍ）は、被測定ガスｇに含まれる酸素分子の濃度のみに依存し、ＮＯｘの濃度には依存しない。
【００２２】
また、センサセル５においても、基準電極８ｂとセンサ電極８ｓとの間に、基準電極８ｂが高電位となるように直流電圧を加える。センサ電極８ｓは、後述するように、ＮＯｘの分解に活性なＰｔ−Ｒｈサーメット電極によって形成されているため、センサ電極８ｓ上において酸素分子とＮＯｘ分子とがそれぞれ還元されて酸素イオンとなり、ポンピング作用によって基準ガス室１２へ排出される。したがって、センサセル５に流れる電流（センサセル電流Ｉｓ）は、酸素分子の濃度とＮＯｘ分子の濃度との、双方の濃度に依存する。
【００２３】
図５に示すごとく、ポンプセル３に加える電圧（ポンプセル電圧Ｖｐ）が減少すると、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓは増加する。これは以下の理由による。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐが低くなると、ポンプセル３によって被測定ガスｇから排出される酸素の量が低減する。そのため、被測定ガスｇ中の酸素濃度が増加し、モニタセル４及びセンサセル５によって排出される酸素の量が増加する。これにより、モニタセル４及びセンサセル５を流れる酸素イオンの量が増え、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓが増加する。
【００２４】
なお、ＮＯｘ濃度の測定を行うときは、ポンプセル電圧Ｖｐを所定の値、例えば約０．３７Ｖにする。
【００２５】
上述したように、センサセル５は、特定ガスと酸素との両方に活性があるため、図６に示すごとく、センサセル電流Ｉｓには、特定ガス濃度に起因した特定ガス起因電流Ｉｘと、酸素濃度に起因した酸素起因電流Ｉｓｏとが含まれる。また、モニタセル５は酸素に対してのみ活性を有するため、モニタセル電流Ｉｍには、特定ガス濃度に起因した成分は含まれない。
【００２６】
図６に示すごとく、モニタセル電流Ｉｍは、酸素起因電流Ｉｓｏよりも若干少ない。つまり、モニタセル４とセンサセル５は、酸素濃度に対する感度が互いに異なる。これは、モニタセル４とセンサセル５とは電極８の材料が異なり、また、電極８の面積に製造ばらつきが含まれるからである。そのため、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを単に減算しただけでは、特定ガス起因電流Ｉｘは正確に算出できない。したがって、特定ガスの濃度を正確に算出できない。
【００２７】
そのため、本例では、モニタセル電流Ｉｍが酸素起因電流Ｉｓｏに近づくように、補正処理を行っている。具体的には、算出部１１（図１参照）において、酸素起因電流Ｉｓｏをモニタセル電流Ｉｍで除した値を感度比αとして記憶しておく。そして算出部１１は、測定したセンサセル電流Ｉｓと、モニタセル電流Ｉｍと、感度比αとを下記式に代入することにより、特定ガス起因電流Ｉｘを算出する。
Ｉｓ−αＩｍ＝Ｉｘ
そして、得られた特定ガス起因電流Ｉｘを用いて、特定ガスの濃度を算出する。
なお、Ｉｓ−αＩｍ＝（Ｉｘ＋Ｉｓｏ）−Ｉｓｏ／Ｉｍ・Ｉｍ＝Ｉｘであるため、Ｉｓ−αＩｍとＩｘとは互いに等しい。
【００２８】
感度比αは、ガスセンサ１０毎に製品ばらつきがあるため、ガスセンサ１０毎に測定して記憶する必要がある。本例では、例えば、ガス濃度検出装置１を製造して出荷するときに、被測定ガスｇとして、特定ガスを含有しない大気を測定する。そして、得られたセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍを用いて、感度比αを算出する。
【００２９】
被測定ガスｇに特定ガスが含まれる場合は、酸素起因電流Ｉｓｏを直接測定することはできないが、被測定ガスｇに特定ガスが含まれない場合は、センサセル電流Ｉｓ＝酸素起因電流Ｉｓｏとなるため、酸素起因電流Ｉｓｏを直接測定することができる。したがって、感度比αを、下記式を用いて算出することができる。
α＝Ｉｓｏ／Ｉｍ＝Ｉｓ／Ｉｍ
【００３０】
図７に示すごとく、特定ガスを含有しない大気を測定すると、センサセル電流Ｉｓの方が、モニタセル電流Ｉｍよりも僅かに高い値になることが分かる。これは、センサセル５の方が、モニタセル４よりも酸素に対する感度が高いからである。したがって感度比α（＝Ｉｓ／Ｉｍ）は、１よりも大きい値になることが多い。
【００３１】
本例では、被測定ガスｇに特定ガスが含まれない状態において、ポンプセル電圧Ｖｐを段階的に変化させる。これにより、被測定ガス室７における被測定ガスｇの酸素濃度が互いに異なる複数の状態を形成する。そして、各々の状態においてモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとを測定する。図８に、このようにして得られたモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの相関関係を示す。
【００３２】
ポンプセル電圧Ｖｐが低い状態では、被測定ガスｇ（大気）中の酸素濃度が増加し、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓが増加する。また、ポンプセル電圧Ｖｐが高い状態では、被測定ガスｇ中の酸素濃度が低減し、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓが低減する。図８から、被測定ガスｇ中の酸素濃度を変化させたときに得られる、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとの測定値は、一直線上にのることが分かる。本例では、この直線の傾きを、上記感度比α（＝Ｉｓ／Ｉｍ）として用いている。また、本例では、この直線の傾きを求める際に、最小二乗法を用いている。
【００３３】
上述したように、感度比αは、ガスセンサ素子１０毎に値が異なる。図８に示すごとく、感度比α、すなわち直線の傾きは、殆どのガスセンサ素子１０で、１〜２の値をとる。
【００３４】
図９のグラフは、ＮＯｘを含有しない被測定ガスｇを測定したときの、ポンプセル電圧Ｖｐと、Ｉｍ，Ｉｓ，Ｉｓ−Ｉｍ，Ｉｓ−αＩｍとの関係を表したものである。同図に示すごとく、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを単に引いた値（Ｉｓ−Ｉｍ）は、ポンプセル電圧Ｖｐが０．３５〜０．３９Ｖの範囲（ＮＯｘ濃度を測定するときの、ポンプセル電圧Ｖｐがばらつく範囲）では、比較的大きな値となり、ＮＯｘ濃度に換算すると±６ｐｐｍ程度になる。これに対して、モニタセル電流Ｉｍに感度比αを掛けて補正し、これをセンサセル電流Ｉｓから減算した値（Ｉｓ−αＩｍ）は、ポンプセル電圧Ｖｐが０．３５〜０．３９Ｖの範囲では、Ｉｓ−Ｉｍよりも小さな値となり、ＮＯｘ濃度に換算すると±１ｐｐｍ以下にすることができる。
【００３５】
図６に示すごとく、ＮＯｘを含有する被測定ガスｇを測定する際には、センサセル電流Ｉｓは、特定ガス起因成分Ｉｘと酸素起因成分Ｉｓｏとの和になる。本例では、ＩｓｏとαＩｍを殆ど等しくすることができ、Ｉｓｏ−αＩｍから算出されるＮＯｘ濃度を±１ｐｐｍ以下にできる。そのため、特定ガス起因成分Ｉｘを正確に算出することができる。
【００３６】
一方、ガスセンサ素子１０の電極８の特性は経時変化するため、感度比αは時間と共に変化する。そのため、定期的に感度比αを測定して、最新の感度比αを記憶する必要がある。
【００３７】
ガス濃度検出装置１を車両等に取り付ける前の時点では、上述したように、被測定ガスｇとして、特定ガスを含有しない大気を測定できるため、Ｉｓ＝Ｉｓｏとなる。したがって、α＝Ｉｓｏ／Ｉｍ＝Ｉｓ／Ｉｍとなるため、感度比αを正確に算出することができる。
【００３８】
しかしながら、ガス濃度検出装置１を車両等に取り付けた後は、特定ガス（ＮＯｘ）を含有しない大気を測定することができない。被測定ガスｇに特定ガスが含まれる場合は、酸素起因電流Ｉｓｏを直接測定できないため、感度比α（＝Ｉｓｏ／Ｉｍ）を正確に測定することはできない。
【００３９】
そのため、本例では、感度比αの代わりに、その近似値α’を定期的に算出している。具体的には、以下のようにする。すなわち、ＮＯｘ濃度を測定する場合、上述したようにポンプセル電圧Ｖｐを約０．３７Ｖにしているが、感度比αの近似値α’を測定するときには、ポンプセル電圧Ｖｐをこれよりも低い値にする。例えば、ポンプセル電圧Ｖｐを約０．２Ｖにする。このようにすると、ポンプセル３によって排出される酸素分子の量が減少し、被測定ガスｇ中の酸素濃度が増加する。この状態では、被測定ガスｇ中の酸素濃度が、特定ガスの濃度よりも遥かに高いため、図１０に示すごとく、センサセル電流Ｉｓ中における酸素起因電流Ｉｓｏの割合が、特定ガス起因電流Ｉｘの割合よりも格段に高くなる。そのため、特定ガス起因電流Ｉｘの存在を殆ど無視することができる。したがって、図１１に示すごとく、近似値α’（＝Ｉｓ／Ｉｍ）を、感度比α（＝Ｉｓｏ／Ｉｍ）に殆ど等しい値として、算出することができる。
【００４０】
また、近似値α’を算出した後は、特定ガスの濃度を測定するにあたり、下記の数式を用いる。すなわち、下記数式に、測定したセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍと上記近似値α’とを代入することにより、特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出する。この近似値Ｉｘ’を用いることにより、特定ガスの濃度を高い精度で算出することができる。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’
【００４１】
次に、本例のガスセンサ１０の構造について、詳細に説明する。図１〜図４に示すごとく、本例のガスセンサ素子１０は、固体電解質体２を１枚のみ備える。この１枚の固体電解質体２に、ポンプ電極８ｐと、モニタ電極８ｍと、センサ電極８ｓと、基準電極８ｂとを形成してある。すなわち、本例では、１枚の固体電解質体２を使って、ポンプセル３と、モニタセル４と、センサセル５との、３個のセルを形成している。
【００４２】
図１、図４に示すごとく、本例のガスセンサ素子１０は、セラミック等からなる絶縁板１９１と、被測定ガス室７を形成するためのシート状の第１スペーサ１９２と、固体電解質体２と、基準ガス室１２を形成するためのシート状の第２スペーサ１９３と、ヒータ６とを、該ヒータ６の厚さ方向（Ｚ方向）に積層することにより構成されている。
【００４３】
図４に示すごとく、第１スペーサ１９２には第１切欠部７９を形成してあり、この第１切欠部７９が被測定ガス室７となる。また、第１スペーサ１９２には、拡散抵抗層１３を設けてある。この拡散抵抗層１３を通して、排気管から被測定ガス室７へ被測定ガスｇが導入される。拡散抵抗層１３によって、被測定ガスｇの流入速度を制限している。
【００４４】
また、第２スペーサ１９３には第２切欠部１２９が形成されている。この第２切欠部１２９が、基準ガス室１２となる。第２切欠部１２９は、大気が存在する外部空間に連通している。第１スペーサ１９２及び第２スペーサ１９３は、アルミナ等の絶縁材料から構成されている。
【００４５】
ポンプ電極８ｐとモニタ電極８ｍとは、ＮＯｘに対する分解活性が低い金属材料から構成されている。具体的には、これらの電極８ｐ，８ｍは、主成分として金Ａｕと白金Ｐｔとを含有する多孔質サーメット電極からなる。電極８ｐ，８ｍ中の金Ａｕの含有量は、１〜１０重量％程度である。また、センサ電極８ｓは、ＮＯｘに対する分解活性が高い金属材料から構成されている。具体的には、センサ電極８ｓは、主成分として白金ＰｔとロジウムＲｈとを含有する多孔質サーメット電極からなる。
【００４６】
図４に示すごとく、電極８には、電流の経路となるリード１６が形成されている。また、固体電解質体２、第１スペーサ１９２、絶縁板１９１には、Ｚ方向に貫通したスルーホール１７が形成されている。このスルーホール１７内に、金属製のプラグを形成してある。また、絶縁板１９１の表面には、外部機器と電気接続するためのパッド１５を複数個形成してある。個々のパッド１５と電極８ｍ，８ｓ，８ｐとは、上記プラグとリード１６とを介して、それぞれ電気的に接続されている。
【００４７】
ヒータ６は、セラミック製のヒータシート６２と、該ヒータシート６２の表面に形成され通電により発熱するヒータ電極６３と、該ヒータ電極６３を被覆する絶縁層６１とからなる。ヒータ６は、ヒータ電極６３を外部からの給電により発熱させ、上記セル３，４，５をそれぞれ活性化温度まで加熱するよう構成されている。また、第２スペーサ１９３と、絶縁層６１と、ヒータシート６２とには、スルーホール１７０が形成されており、ヒータシート６２の表面にはパッド１８が形成されている。スルーホール１７０内には、金属製のプラグが形成されている。このプラグにより、ヒータ電極６３及び基準電極８ｂを、それぞれパッド１８に電気接続している。
【００４８】
また、ヒータ電極６３の発熱中心は、ポンプセル３側に偏っている。すなわち、ポンプセル３の方が、モニタセル４やセンサセル５よりも高温になるように、ヒータ電極６３を使って、各セル３，４，５を加熱するよう構成されている。
【００４９】
図１、図２に示すごとく、本例の被測定ガス室７は、ポンプセル３を形成した側から、モニタセル４及びセンサセル５を形成した側まで、全体にわたって、Ｚ方向における間隔が一定であると共に、Ｘ方向とＺ方向との双方に直交する幅方向（Ｙ方向）における間隔が一定であり、一体的に形成されている。すなわち、被測定ガス室７内における、ポンプセル３を形成した側と、モニタセル４及びセンサセル５を形成した側との間には、絞り部や隔壁のように、Ｚ方向間隔またはＹ方向間隔を狭くする部位が形成されていない。これにより、被測定ガスｇが、ポンプセル３を形成した側から、モニタセル４及びセンサセル５を形成した側へ拡散律速することなく流れるようにしてある。
【００５０】
また、本例では図２に示すごとく、Ｘ方向における、ポンプ電極８ｐからモニタ電極８ｍまでの距離Ｌ１と、ポンプ電極８ｐからセンサ電極８ｓまでの距離Ｌ２とが互いに等しい。
【００５１】
また、本例では図１、図４に示すごとく、基準電極８ｂを共通化してある。すなわち、基準電極８ｂのうち、ポンプセル３を構成する部位と、モニタセル４を構成する部位と、センサセル５を構成する部位とが一体化している。
【００５２】
本例の作用効果について説明する。本例のガス濃度検出装置１における算出部１１は、特定ガスの濃度を算出するときに、モニタセル電流Ｉｍの値を、酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正する。
そのため、特定ガスの濃度をより正確に算出することが可能になる。すなわち、上述したように、センサセル電流Ｉｓには、特定ガスの濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘと、酸素起因電流Ｉｓｏとが含まれる。上記補正処理を行うと、補正後のモニタセル電流Ｉｍ’は、酸素起因電流Ｉｓｏに近い値になる。そのため、補正後のモニタセル電流Ｉｍ’をセンサセル電流Ｉｓ（＝Ｉｘ＋Ｉｓｏ）から減算すれば、
Ｉｓ−Ｉｍ’＝（Ｉｘ＋Ｉｓｏ）−Ｉｍ’≒Ｉｘ
となり、正確な特定ガス起因電流Ｉｘを算出することができる。そのため、特定ガスの濃度を正確に算出することが可能になる。
【００５３】
また、上記算出部１１は、下記式を用いて、センサセル電流Ｉｓ中の特定ガス起因電流Ｉｘを算出する。
Ｉｓ−αＩｍ＝Ｉｘ
そして、得られた特定ガス起因電流Ｉｘを用いて、特定ガスの濃度を算出するよう構成されている。
そのため、センサセル電流Ｉｓ中の特定ガス起因電流Ｉｘを、容易に、かつ確実に算出することができる。
【００５４】
また、本例では、図７、図８に示すごとく、被測定ガスｇに特定ガスが含まれない状態において、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとを測定する。この状態では、センサセル電流Ｉｓには特定ガス起因電流Ｉｘが含まれないため、センサセル電流Ｉｓ＝酸素起因電流Ｉｓｏとなる。そのため、下記式を用いて、感度比αを容易に、かつ正確に算出することができる。
α＝Ｉｓｏ／Ｉｍ＝Ｉｓ／Ｉｍ
【００５５】
また、本例では図７、図８に示すごとく、感度比αを算出するときに、ポンプセル電圧Ｖｐを変化させる。これにより、被測定ガス室７における被測定ガスｇの酸素濃度が、互いに異なる複数の状態を形成する。そして、各々の状態においてセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍを測定する。これにより、感度比αを算出する。
そのため、複数の測定データを用いて感度比αを算出することで、より正確な感度比αを求めることが可能になる。
【００５６】
また、本例では、ガスセンサ素子１０を車両に取り付けた後、特定ガスが含まれている被測定ガスｇを用いて、感度比αの近似値α’を算出する。この際、ポンプセル電圧Ｖｐを、特定ガスの濃度を算出するときの値よりも低くする。そして、下記数式を用いて、近似値α’を算出する。
Ｉｓ／Ｉｍ＝α’
そのため、特定ガスが含まれている被測定ガスｇを用いて、感度比αに近い値である、近似値α’を算出することができる。上述したように、感度比αは経時変化するため、定期的に感度比αを算出する必要がある。また、ガス濃度検出装置を一旦、車両等に取り付けた後は、特定ガス（ＮＯｘ）を含有しない大気等を、被測定ガスｇとして測定することができない。本例では、被測定ガスｇに特定ガスが含まれていても、感度比αに近い値を算出できるため、感度比αが経時変化した後でも、特定ガスの濃度を正確に測定することができる。
なお、上記近似値α’の算出は、いわゆるフューエルカット時のように、特定ガスの濃度がなるべく低くなる時に行うことが好ましい。
【００５７】
また、図１、図２に示すごとく、本例のガスセンサ素子１０は、ポンプセル３を形成した側から、モニタセル４及びセンサセル５を形成した側まで、全体にわたって、Ｚ方向における間隔が一定であると共に、Ｙ方向における間隔が一定であり、一体的に形成されている。すなわち、被測定ガス室７内における、ポンプセル３を形成した側と、モニタセル４及びセンサセル５を形成した側との間には、絞り部や隔壁のように、Ｚ方向間隔またはＹ方向間隔を狭くする部位が形成されていない。
そのため、ポンプセル３からモニタセル４及びセンサセル５へ、被測定ガスｇを拡散律速することなく流すことができる。したがって、特定ガスの濃度が変化したときに、その変化をすぐに検出することが可能になる。つまり、ガスセンサ素子１０の応答性を高めることが可能になる。
【００５８】
また、図１〜図４に示すごとく、本例では、ポンプセル３とモニタセル４とセンサセル５とは、１枚の固体電解質体２を共有している。そのため、固体電解質体２の枚数を１枚にすることができ、ガスセンサ素子１０の製造コストを低減することができる。
【００５９】
以上のごとく、本例によれば、特定ガスの濃度をより正確に算出できるガス濃度検出装置を提供することができる。
【００６０】
（実施例２）
以下の実施例においては、図面に用いた符号のうち、実施例１において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、実施例１と同様の構成要素を表す。
【００６１】
本例は、特定ガスを含有する被測定ガスｇを用いて感度比αの近似値α’を算出するときの、算出方法を変更した例である。図１２に示すごとく、本例では、ポンプセル３に、互いに値が異なる第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とを加える。そして、第１電圧Ｖ１を加えた状態におけるモニタセル電流Ｉｍ１及びセンサセル電流Ｉｓ１を測定し、第２電圧Ｖ２を加えた状態におけるモニタセル電流Ｉｍ２及びセンサセル電流Ｉｓ２を測定する。これらの測定値Ｉｍ１，Ｉｓ１，Ｉｍ２，Ｉｓ２から、下記式を用いて、近似値α’を算出する。
（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）＝α’            ・・・（１）
【００６２】
図１３に示すごとく、センサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２には、特定ガス濃度に起因する成分である特定ガス起因電流Ｉｘと、酸素濃度に起因する成分である酸素起因電流Ｉｓｏとがある。センサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２は、ポンプセル電圧Ｖｐを変えて測定した値であるため、酸素起因電流Ｉｓｏの値が互いに異なる。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐが低いとき（第１電圧Ｖ１）は、被測定ガスｇ中の酸素濃度が高くなるため、酸素起因電流Ｉｓｏは高い値になる。また、ポンプセル電圧Ｖｐが高いとき（第２電圧Ｖ２）は、被測定ガスｇ中の酸素濃度が低くなるため、酸素起因電流Ｉｓｏは低い値になる。
【００６３】
これに対して、特定ガスの濃度は、ポンプセル電圧Ｖｐの影響を受けないため、Ｖｐ＝Ｖ１のときと、Ｖｐ＝Ｖ２のときとで、特定ガス起因電流Ｉｘは変わらない。そのため、上記数式（１）においてＩｓ１−Ｉｓ２を算出することにより、特定ガス起因電流Ｉｘを消去することが可能になる。また、Ｖｐ＝Ｖ２における酸素起因電流Ｉｓｏ（Ｉｓｏ２）は、Ｖｐ＝Ｖ１における酸素起因電流Ｉｓｏ（Ｉｓｏ１）よりも格段に低い。
【００６４】
同様に、図１４に示すごとく、ポンプセル電圧Ｖｐを低くした（第１電圧Ｖ１）ときは、モニタセル電流Ｉｍ１は高くなり、ポンプセル電圧Ｖｐを高くした（第２電圧Ｖ２）ときは、モニタセル電流Ｉｍ２は低くなる。
【００６５】
以上説明したように、上記数式（１）を用いれば、特定ガス起因電流Ｉｘを消去できるため、特定ガスの濃度の影響を受けなくなる。そのため、近似値α’を、感度比αに非常に近い値として算出することができる。
【００６６】
なお、α’を算出した後は、実施例１と同様に、下記式を用いて、特定ガスの濃度を精度良く算出することができる。
Ｉｓ−α’Ｉｍ＝Ｉｘ’
【００６７】
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。
【００６８】
（実施例３）
本例は、特定ガスを含有する被測定ガスｇを用いて感度比αの近似値α’を算出するときの、算出方法を変更した例である。図１５に示すごとく、本例では、近似値α’を算出するときに、ポンプセル電圧Ｖｐを、特定ガスの濃度を算出するときの値（Ｖ０）よりも高い値（Ｖ３）にする。このようにすると、ポンプ電極８ｐ（図１、図２参照）において特定ガスであるＮＯｘが分解される。この状態でモニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとを測定する。この状態では、被測定ガスｇ中の特定ガスが分解されているので、図１６に示すごとく、センサセル電流Ｉｓには特定ガス起因電流Ｉｘが含まれず、酸素起因電流Ｉｓｏのみとなる。そのため、下記式を用いて、感度比αの近似値α’を算出することが可能になる。
α’＝Ｉｓｏ／Ｉｍ＝Ｉｓ／Ｉｍ
なお、ポンプセル電圧Ｖｐを高くしすぎると、被測定ガスｇに含まれるＨ２Ｏがポンプ電極８ｐにおいて分解してＨ２ガスが発生し、このＨ２ガスがモニタセル４及びセンサセル５を流れる。そのため、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとがマイナスの値になる。このときの値を用いて感度比を算出すると、Ｈ２の感度比が算出されてしまう。したがって、Ｏ２の感度比αを求めるには、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとがプラスになっているときの値を用いる必要がある。
【００６９】
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。
【００７０】
（実施例４）
本例は、特定ガス起因電流Ｉｘの算出方法を変更した例である。モニタセル４及びセンサセル５には、酸素および特定ガスの有無に関わらず、オフセット電流Ｉｏｆｆが流れることが知られている。オフセット電流Ｉｏｆｆは、固体電解質体２と電極８との間に生じる電子伝導等が原因だと考えられている。本例では、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓにオフセット電流Ｉｏｆｆが含まれていることを前提として、モニタセル電流Ｉｍを補正している。以下、詳説する。
【００７１】
本例では、ガス濃度検出装置１の出荷時に、ＮＯｘを含有しない大気を用いて、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとを測定する。この際、ポンプセル３に、互いに異なる第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２とを加える(図１７参照)。そして、第１電圧Ｖ１を加えたときにおけるセンサセル電流Ｉｓ１及びモニタセル電流Ｉｍ１と、第２電圧Ｖ２を加えたときにおけるセンサセル電流Ｉｓ２及びモニタセル電流Ｉｍ２とを、それぞれ測定する。
【００７２】
ポンプセル３に、上記電圧Ｖ１，Ｖ２のうち低い電圧である第１電圧Ｖ１を印加したときは、高い電圧である第２電圧Ｖ２を印加したときよりも、被測定ガス室７内のＯ２の濃度が増加する。そのため、第１電圧Ｖ１を印加したときのセンサセル電流Ｉｓ１及びモニタセル電流Ｉｍ１は、第２電圧Ｖ２を印加したときのセンサセル電流Ｉｓ２及びモニタセル電流Ｉｍ２よりも、大きな値になる。
【００７３】
図１８、図１９に示すごとく、モニタセル電流Ｉｍ１，Ｉｍ２（図１９参照）、及びセンサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２には、上記オフセット電流Ｉｏｆｆが含まれる。オフセット電流Ｉｏｆｆは酸素濃度に依存しないため、各電流Ｉｍ１，Ｉｍ２，Ｉｓ１，Ｉｓ２に含まれるオフセット電流Ｉｏｆｆは、殆ど同一である。
【００７４】
図１８に示すごとく、モニタセル電流Ｉｍ１とセンサセル電流Ｉｓ１のうち、酸素濃度に対する感度があるのは、オフセット電流Ｉｏｆｆを除いた成分（Ｉｍ１−Ｉｏｆｆ）、（Ｉｓ１−Ｉｏｆｆ）だけである。Ｉｓ１−ＩｏｆｆとＩｍ１−Ｉｏｆｆとの比を、減算値感度比βとして定義する。
β＝（Ｉｓ１−Ｉｏｆｆ）／（Ｉｍ１−Ｉｏｆｆ）
【００７５】
減算値感度比βは、ポンプセル電圧Ｖｐを変化させ、被測定ガス室７の酸素濃度を変化させても一定である（図１９参照）。ポンプ電圧Ｖｐを上記第２電圧Ｖ２にしたときの減算値感度比βは、下記式のようになる。
β＝（Ｉｓ２−Ｉｏｆｆ）／（Ｉｍ２−Ｉｏｆｆ）
したがって、βは一般的に、下記式のように定義することができる。
β＝（Ｉｓ−Ｉｏｆｆ）／（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ）
【００７６】
図１８、図１９から、センサセル電流Ｉｓ１，Ｉｓ２は、以下のように表されることが分かる。
Ｉｓ１＝β（Ｉｍ１−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ
Ｉｓ２＝β（Ｉｍ２−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ
【００７７】
上記連立方程式を解くと、βとＩｏｆｆは、以下のように表される。
β＝（Ｉｓ１−Ｉｓ２）／（Ｉｍ１−Ｉｍ２）
Ｉｏｆｆ＝（Ｉｓ１−βＩｍ１）／（１−β）
本例の算出部１１は、上記式を用いて減算値感度比βとオフセット電流Ｉｏｆｆとを算出し、これらの値を記憶しておく。
【００７８】
算出部１１は、ＮＯｘ濃度を測定する際に、図２０に示すごとく、モニタセル電流Ｉｍとセンサセル電流Ｉｓとを測定する。算出部１１は、測定したモニタセル電流Ｉｍの値を、下記式を用いて、酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正する。
Ｉｍ’＝β（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ
【００７９】
算出部１１は、その後、下記式を用いて、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍの補正値Ｉｍ’を減算する。これにより、特定ガス起因電流Ｉｘを算出する。
Ｉｘ＝Ｉｓ−Ｉｍ’＝Ｉｓ−{β（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ）＋Ｉｏｆｆ}
【００８０】
以上説明した演算を行うことにより、特定ガス起因電流Ｉｘを正確に求めることができ、特定ガスの濃度を正確に算出することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。
【００８１】
（実施例５）
本例は、ＮＯｘを含有する被測定ガスｇを用いて、減算値感度比βの近似値β’、及びオフセット電流Ｉｏｆｆの近似値Ｉｏｆｆ’を測定するようにした例である。減算値感度比β及びオフセット電流Ｉｏｆｆは、経年変化する。また、ガス濃度検出装置１を車体等に取り付けた後は、ＮＯｘを含有しない被測定ガスｇを測定する機会が殆ど無い。そのため本例では、ＮＯｘを含有する被測定ガスｇを用いて、減算値感度比βの近似値β’、及びオフセット電流Ｉｏｆｆの近似値Ｉｏｆｆ’を定期的に測定し、その値を更新するようにしている。
【００８２】
上記近似値β’，Ｉｏｆｆ’を測定するにあたって、まず、ポンプセル３に互いに異なる第３電圧Ｖ３と第４電圧Ｖ４とを印加する。そして、第３電圧Ｖ３を加えたときにおけるセンサセル電流Ｉｓ３及びモニタセル電流Ｉｍ３（図２１、図２２参照）と、第４電圧Ｖ４を加えたときにおけるセンサセル電流Ｉｓ４及びモニタセル電流Ｉｍ４とを測定する。そして、下記式を用いて、上記近似値β’，Ｉｏｆｆ’を算出する。
β’＝（Ｉｓ３−Ｉｓ４）／（Ｉｍ３−Ｉｍ４）          ・・・（２）
Ｉｏｆｆ’＝（Ｉｓ３−β’Ｉｍ３）／（１−β’）
【００８３】
センサセル電流Ｉｓ３，Ｉｓ４は、特定ガス濃度が同一の被測定ガスｇを測定して得られた値なので、各センサセル電流Ｉｓ３，Ｉｓ４に含まれる特定ガス起因電流Ｉｘは互いに等しい。また、オフセット電流Ｉｏｆｆも互いに等しい。上記式（２）の分子では、Ｉｓ３−Ｉｓ４を演算しているため、ＩｘとＩｏｆｆが消去される。同様に、図２２に示すごとく、モニタセル電流Ｉｍ３，Ｉｍ４に含まれるオフセット電流Ｉｏｆｆは、互いに等しい。上記式（２）の分母では、Ｉｍ３−Ｉｍ４を演算しているため、Ｉｏｆｆを消去することができる。
【００８４】
このように、上記式（２）を用いることにより、各電流Ｉｓ３，Ｉｓ４，Ｉｍ３，Ｉｍ４に含まれるオフセット電流Ｉｏｆｆと特定濃度起因電流Ｉｘとを消去でき、減算値感度比βの近似値β’を比較的精度良く算出することができる。
【００８５】
算出部１１は、特定ガス（ＮＯｘ）の濃度を測定する際に、センサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍを測定する。そして下記式を用いて、モニタセル電流Ｉｍの値を、酸素起因電流Ｉｓｏの値に近づけるように補正する。
Ｉｍ’＝β’（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ’）＋Ｉｏｆｆ’
【００８６】
その後、算出部１１は、下記式を用いて、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍの補正値Ｉｍ’を減算する。これにより、特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出し、この近似値Ｉｘ’を用いて、特定ガスの濃度を算出する。
Ｉｘ’＝Ｉｓ−Ｉｍ’＝Ｉｓ−{β’（Ｉｍ−Ｉｏｆｆ’）＋Ｉｏｆｆ’}
【００８７】
このようにすると、定期的に更新された上記近似値β’，Ｉｏｆｆ’を用いて、特定ガス起因電流Ｉｘの近似値Ｉｘ’を算出できるため、ガスセンサ素子１０の特性が経年変化しても、被測定ガスの濃度を正確に測定することが可能となる。
その他、実施例１と同様の構成および作用効果を有する。
【符号の説明】
【００８８】
１  ガス濃度検出装置
１０  ガスセンサ素子
１１  算出部
１２  基準ガス室
２  固体電解質体
３  ポンプセル
４  モニタセル
５  センサセル
７  被測定ガス室
８  電極
Ｉｍ  モニタセル電流
Ｉｓ  センサセル電流
Ｉｓｏ  酸素起因電流
Ｉｘ  特定ガス起因電流
ｇ  被測定ガス
【図１】
0005910683.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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