(57)【要約】ＮＯＸ測定装置は、第１測定室５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３と、第１測定室内から外へ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１と、第１測定室５から第２拡散抵抗８を介してガスが導入される第２測定室６と、第２測定室６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）が流れる第２酸素ポンプセル２と、を備えるＮＯＸセンサ素子と、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が予め定められた範囲範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する第１の診断手段３０ａを有する。
2003083465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、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酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、
検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、
を有するＮＯＸ測定装置。
【請求項２】
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、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、
前記酸素分圧検知セルに印加される電圧を検出する検出手段と、
検出された前記酸素分圧検知セルに印加された電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、
を有するＮＯＸ測定装置。
【請求項３】
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、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、
前記酸素分圧検知セルの内側の電極の電位を検出する検出手段と、
検出された前記酸素分圧検知セルの内側の電極の電位が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、
を有するＮＯＸ測定装置。
【請求項４】
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、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、
前記酸素分圧検知セルの内部抵抗を検出する手段と、
検出された前記酸素分圧検知セルの内部抵抗が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、
を有するＮＯＸ測定装置。
【請求項５】
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、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１酸素ポンプ電流ないし前記第１酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、
検出された前記第１酸素ポンプ電流ないし前記第１酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、
を有するＮＯＸ測定装置。
【請求項６】
内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸ測定用であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項７】
車両に搭載された内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸ測定用であって、少なくとも請求項１〜５のいずれか一項記載の前記診断手段の診断結果を用いて、車両故障診断（ＯＢＤ）が行われることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項８】
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、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酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、
検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし該第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸセンサが正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸセンサが正常に機能していないと診断するＮＯＸセンサ診断手段と、
を備えるＮＯＸセンサ素子制御手段と、
を有するＮＯＸセンサの自己診断装置。
【請求項９】
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、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酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を測定する検出手段と、
を備えるＮＯＸセンサ素子制御手段と、
を有するＮＯＸ測定装置において、
前記ＮＯＸセンサ素子制御手段が、検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし該第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸセンサが正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸセンサが正常に機能していないと診断することを特徴とするＮＯＸ測定装置の自己診断方法。
【請求項１０】
酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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１酸素ポンプセル、前記ＮＯＸ検知セル及び前記酸素分圧検知セルの異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段によって異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって該ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する変更手段と、
を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置。
【請求項１１】
前記被測定ガスは所定範囲の酸素濃度を有し、
前記変更手段は、さらに、前記異常検出手段によって異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の酸素濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって異常が検出された場合には、当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する、ことを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１２】
前記異常検出手段は、さらに、前記第１酸素ポンプセル、前記ＮＯＸ検知セル及び前記酸素分圧検知セルに接続する配線の異常を検出し、
前記変更手段は、前記異常検出手段によって前記配線の異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって前記配線の異常が検出された場合には、少なくとも当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する、ことを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１３】
前記異常検出手段は、
前記ＮＯＸセンサ素子の温度によって抵抗値が変動する前記酸素分圧検知セルのセル抵抗及び／又は該酸素分圧検知セルが備える電極の電位、
前記第１酸素ポンプセルに印加される電圧及び／又は該第１酸素ポンプセルに流れる電流、及び、
前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧及び／又は該第２酸素ポンプセルに流れる電流、
のいずれか一以上のレベルないしオーダーの異常を検出する、ことを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１４】
前記変更手段は、前記ＮＯＸ測定装置が出力する複数の所定の信号のレベルないしオーダーを変更するよう構成され、該複数の所定の信号の組合わせによって、前記ＮＯＸ測定装置の異常部位及び／異常状態が報知される、ことを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１５】
前記ＮＯＸ測定装置が排気ガス中の窒素酸化物測定用に車両システムに搭載され、
前記異常検出手段及び前記変更手段が前記車両システムの制御装置側に設置される、ことを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１６】
前記酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルが第１室内の空間に面して配置され、前記ＮＯＸ検知セルが第２室内の空間に面して配置されているＮＯＸセンサ素子、又は、前記酸素ポンプセルが第１室内の空間に面して配置され、前記酸素分圧検知セル及び前記ＮＯＸ検知セルが第２室内の空間に面して配置されているＮＯＸセンサ素子、を用いることを特徴とする請求項１０記載のＮＯＸ測定装置。
【請求項１７】
酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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ＮＯＸ測定装置の異常部位を検出する異常検出手段と、
前記ＮＯＸ測定装置の正常時には所定のレベルないしオーダで出力される一又は複数のアナログ信号のレベルないしオーダを、異常時には正常時に使用されないレベルないしオーダに変更することにより、前記異常検出手段によって検出された前記ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する変更手段、を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置。
【請求項１８】
酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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ＮＯＸ測定装置の異常部位を検出する異常検出手段と、
前記ＮＯＸ測定装置の正常時には所定範囲のコードで出力されるデジタル信号のコードを、異常時には正常時に使用されない範囲のコードに変更することにより、前記異常検出手段によって検出された前記ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する変更手段、を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置。
【請求項１９】
酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに生じる酸素濃淡電池起電力に基づいて、被測定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１酸素ポンプセル、前記ＮＯＸ検知セル及び前記酸素分圧検知セルの異常を検出する異常検出手段と、
前記異常検出手段によって異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって該ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する変更手段と、
を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置。
【請求項２０】
酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流又は該前記ＮＯＸ検知セルの電位に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定するＮＯＸ測定装置の自己診断方法であって、
前記ＮＯＸ測定装置の正常時には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じた所定の信号を出力し、一方、該ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、少なくとも当該所定の信号を予め定められた様式に基づいて変更することにより、該ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置の自己診断方法。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、ガス濃度測定装置、ガスセンサの自己診断装置及びその自己診断方法に関し、特に、車両故障診断（ＯＢＤ）に用いることができる、ＮＯＸ測定装置、ＮＯＸセンサの自己診断装置及びその自己診断方法に関する。
背景技術
近年、排ガス規制の強化に伴い、エンジン等の排ガス中のＮＯＸを直接測定し、内燃機関の制御や触媒のコントロールを行う研究が行われている。特に、ＺｒＯ２等の酸素イオン伝導体を用い、この酸素イオン伝導体を介した酸素ポンプセルを用いて酸素を汲み出すことによりＮＯＸを分解し、この分解を電流として検知する形式のＮＯＸガスセンサは、ＨＣ、ＣＯ等の妨害ガスの影響を受けずにＮＯＸガス濃度が測定できる、と考えられることから、近年広く研究が行われている。
発明の課題
内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸは、酸素等に比べてきわめて少量であるから、内燃機関の排気ガス中のＮＯＸ測定に適用されるＮＯＸセンサは高精度であって、常に正常に動作することが求められる。しかしながら、このようなＮＯＸセンサの自己診断を行うための装置は、実用化されていない。
本発明の目的は、内燃機関の排気ガス中のＮＯＸ測定に好適に適用されるＮＯＸセンサの状態を的確に認識することができ、車両故障診断（ＯＢＤ）に適用することができる、ＮＯＸ測定装置、ＮＯＸセンサの自己診断装置及びその自己診断方法を提供することである。
発明の開示
本発明のＮＯＸ測定装置において、ＮＯＸセンサ素子は、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、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、を備えている。
本発明によるＮＯＸ測定装置は、前記ＮＯＸセンサ素子の制御手段として、前記酸素分圧制御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、を有している。
本発明のＮＯＸ測定装置において、通常の測定モードでは、第２酸素ポンプセルにＮＯＸ濃度に比例した電流が流れるように、第２酸素ポンプセルには一定の電圧が印加される。また、第２測定室には、前記第１酸素ポンプセルによって、酸素濃度が制御されたガスが導入される。したがって、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段が正常に機能している場合、第２酸素ポンプ電流の大きさ及び第２酸素ポンプセルに実際に印加される電圧は、所定の範囲に収まるはずである。したがって、本発明のＮＯＸ測定装置においては、下記の診断手段により、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の機能状態を診断することができる。
すなわち、本発明は、第１の視点において、基本的な構成として上述したＮＯＸセンサ素子とその制御手段を有するＮＯＸ測定装置において、さらに、前記第２酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段を有するＮＯＸ測定装置を提供する。
このＮＯＸ測定装置は、ＮＯＸセンサの検出出力信号である第２酸素ポンプ電流ないし該第２酸素ポンプ電流が流れる第２酸素ポンプセルに印加される電圧を用いて、該ＮＯＸセンサが正常に機能しているか否かを診断する。内燃機関の排ガス中においても、ＮＯＸ濃度はきわめて小さいものであるから、第２酸素ポンプ電流のレンジもきわめて低いものである。加えて、第２酸素ポンプ電流は、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の状態に敏感な量であって、例えば、素子温度、電極の活性状態、リード線の抵抗によって、変化する量である。したがって、第２酸素ポンプ電流を用いて、ＮＯＸ測定装置の状態を検出することにより、きわめて鋭敏な、ＮＯＸ測定装置の状態検出が可能となる。同様の理由により、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２を用いて、ＮＯＸセンサ素子の状態を検出することによっても、きわめて鋭敏な状態検出が可能となる。
このように、本発明によるＮＯＸ測定装置は、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の状態を鋭敏に検出することができる。したがって、本発明によるＮＯＸ測定装置は、高い信頼性が要求される分野に好適であり、特に、車両に搭載される内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸを測定する装置として好適である。また、内燃機関を制御するＥＣＵは、本発明のＮＯＸ測定装置が有する診断手段の診断結果に基づいて、車両故障診断（ＯＢＤ）を行うことができる。例えば、ＥＣＵは、前記判定結果に基づいて、排気管に装着されたＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の状態を判定することができる他、燃料系、吸気系及び排気系等を構成する要素の状態を診断することができる。
また、本発明のＮＯＸ測定装置においては、酸素分圧検知セルが備える第１測定室の外側に配置された電極上の酸素濃度が、通常は一定になるよう制御される。一方、酸素分圧検知セルが備える第１測定室の内側に配置された電極上の酸素濃度は、通常の測定において、大気中の酸素濃度以下となる。したがって、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段が正常に機能している場合、酸素分圧検知セルに印加される電圧、酸素分圧検知セルの外側の電極の電位及び酸素分圧検知セルの内部抵抗は、所定の範囲に収まるはずである。したがって、本発明のＮＯＸ測定装置においては、下記の診断手段により、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の機能状態を診断することができる。
すなわち、本発明は、第２の視点において、上述した基本的な構成を有するＮＯＸ測定装置において、さらに、前記酸素分圧検知セルに印加される電圧を検出する検出手段と、検出された前記酸素分圧検知セルに印加された電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、を有するＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第３の視点において、上述した基本的な構成を有するＮＯＸ測定装置において、さらに、前記酸素分圧検知セルの内側の電極の電位を検出する検出手段と、検出された前記酸素分圧検知セルの内側の電極の電位が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、を有するＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第４の視点において、上述した基本的な構成を有するＮＯＸ測定装置において、さらに、前記酸素分圧検知セルの内部抵抗を検出する手段と、検出された前記酸素分圧検知セルの内部抵抗が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、を有するＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明のＮＯＸ測定装置において、被検ガスの酸素濃度は、通常の測定において、大気中の酸素濃度以下となる。したがって、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段が正常に機能している場合、酸素分圧検知セルの酸素濃度検出出力に基づいてフィードバック制御されている第１酸素ポンプ電流の大きさ及び第１酸素ポンプセルに実際に印加される電圧は、所定の範囲に収まるはずである。したがって、本発明のＮＯＸ測定装置においては、下記の診断手段により、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の機能状態を診断することができる。
すなわち、本発明は、第５の視点において、上述した基本的な構成を有するＮＯＸ測定装置において、さらに、前記第１酸素ポンプ電流ないし前記第１酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、検出された前記第１酸素ポンプ電流ないし前記第１酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、を有するＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第６の視点において、内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸ測定用であることを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第７の視点において、車両に搭載された内燃機関の排気ガス中に含まれるＮＯＸ測定用であって、少なくとも前記診断手段の診断結果を用いて、車両故障診断（ＯＢＤ）が行われることを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
また、本発明は、第８の視点において、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、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酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を検出する検出手段と、検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし該第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する診断手段と、を備えるＮＯＸセンサ素子制御手段と、を有するＮＯＸセンサの自己診断装置を提供する。
また、本発明は、第９の視点において、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、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酸素ポンプ電流ないし前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧を測定する検出手段と、を備えるＮＯＸセンサ素子制御手段とを有するＮＯＸ測定装置において、前記ＮＯＸセンサ素子制御手段が、検出された前記第２酸素ポンプ電流ないし該第２酸素ポンプセルに印加される前記所定の電圧が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断するＮＯＸ測定装置の自己診断方法を提供する。
本発明は、第１０の視点において、酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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１酸素ポンプセル、前記ＮＯＸ検知セル及び前記酸素分圧検知セルの異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段によって異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって該ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する変更手段と、を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１１の視点において、前記被測定ガスは所定範囲の酸素濃度を有し、前記変更手段は、さらに、前記異常検出手段によって異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の酸素濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって異常が検出された場合には、当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１２の視点において、前記異常検出手段は、さらに、前記第１酸素ポンプセル、前記ＮＯＸ検知セル及び前記酸素分圧検知セルに接続する配線の異常を検出し、前記変更手段は、前記異常検出手段によって前記配線の異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、該異常検出手段によって前記配線の異常が検出された場合には、少なくとも当該所定の信号のレベルないしオーダーを変更する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１３の視点において、前記異常検出手段は、前記ＮＯＸセンサ素子の温度によって抵抗値が変動する前記酸素分圧検知セルのセル抵抗及び／又は該酸素分圧検知セルが備える電極の電位、前記第１酸素ポンプセルに印加される電圧及び／又は該第１酸素ポンプセルに流れる電流、及び、前記第２酸素ポンプセルに印加される電圧及び／又は該第２酸素ポンプセルに流れる電流、のいずれか一以上のレベルないしオーダーの異常を検出する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１４の視点において、前記変更手段は、前記ＮＯＸ測定装置が出力する複数の所定の信号のレベルないしオーダーを変更するよう構成され、該複数の所定の信号の組合わせによって、前記ＮＯＸ測定装置の異常部位及び／異常状態が報知される、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１５の視点において、前記ＮＯＸ測定装置が排気ガス中の窒素酸化物測定用に車両システムに搭載され、前記異常検出手段及び前記変更手段が前記車両システムの制御装置側に設置される、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１６の視点において、前記酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルが第１室内の空間に面して配置され、前記ＮＯＸ検知セルが第２室内の空間に面して配置されていることを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供し、さらに、前記酸素ポンプセルが第１室内の空間に面して配置され、前記酸素分圧検知セル及び前記ＮＯＸ検知セルが第２室内の空間に面して配置されていることを特徴とするＮＯＸ測定装置も提供する。
本発明は、第１７の視点において、酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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ＮＯＸ測定装置の異常部位を検出する異常検出手段と、前記ＮＯＸ測定装置の正常時には所定のレベルないしオーダで出力される一又は複数のアナログ信号のレベルないしオーダを、異常時には正常時に使用されないレベルないしオーダに変更することにより、前記異常検出手段によって検出された前記ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する変更手段、を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１８の視点において、酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流に基づいて、被測定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ＮＯＸ測定装置の異常部位を検出する異常検出手段と、前記ＮＯＸ測定装置の正常時には所定範囲のコードで出力されるデジタル信号のコードを、異常時には正常時に使用されない範囲のコードに変更することにより、前記異常検出手段によって検出された前記ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する変更手段、を有する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第１９の視点において、ＮＯＸ検知セルが酸素濃淡電池（電気化学的セル）であるＮＯＸセンサを用いることを特徴とするＮＯＸ測定装置を提供する。
本発明は、第２０の視点において、酸素ポンプセル、ＮＯＸ検知セル及び酸素分圧検知セルを有するＮＯＸセンサ素子を備え、前記第１酸素ポンプセル及び前記酸素分圧検知セルを用いて所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度を有する被測定ガスから酸素分圧が制御されたガスを生成し、前記酸素分圧が制御されたガスと接触する前記ＮＯＸ検知セルに流す限界電流又は該前記ＮＯＸ検知セルの電位に基づいて、被測定ガス中の窒素酸化物濃度を測定するＮＯＸ測定装置の自己診断方法であって、前記ＮＯＸ測定装置の正常時には、前記被測定ガスが有する所定範囲の窒素酸化物濃度に応じた所定の信号を出力し、一方、該ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、少なくとも当該所定の信号を予め定められた様式に基づいて変更することにより、該ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する、ことを特徴とするＮＯＸ測定装置の自己診断方法を提供する。
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、前記第１ポンプ電流、前記第１ポンプセルに印加される電圧、前記第１ポンプセルが備える各電極の電位或いは各電極に接続する各端子の電圧、前記第２ポンプ電流、前記第２ポンプセルに印加される電圧、前記第２ポンプセルが備える各電極の電位或いは各電極に接続する各端子の電圧、前記酸素分圧検知セルの内部抵抗、前記酸素分圧検知セルが備える電極間の電位差、前記酸素分圧検知セルが備える各電極の電位（例えば、前記酸素分圧検知セルが備える前記第１測定室の内側に配置された電極の電位のいずれか一又は二以上に基づいて、ＮＯＸセンサの状態を診断する。
本発明は、酸素ポンプセル（第１酸素ポンピングセル）が第１室内の空間に面して配置され、ＮＯＸ検知セル（第２酸素ポンピングセル）及び酸素分圧検知セルが第２室内の空間に面して配置されているＮＯＸセンサ素子に対しても適用される。さらに、本発明は、第ＮＯＸ濃度検知セルが酸素濃淡電池（電気化学的セル）である場合にも適用される。
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。
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。
ＮＯＸセンサ素子の構成について説明する。
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１（酸素ポンプセル）、第２酸素ポンプセル２（ＮＯＸ検知セル）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。
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。
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。
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。
次に、ＮＯＸセンサ制御手段（図２参照）について説明する。なお、図中のセンサ制御手段３０はＮＯＸセンサ制御手段とＮＯＸ測定装置の診断手段の両方の機能を果たしている。
図１（Ａ）を参照すると、センサ制御手段３０（図２参照）は、酸素分圧検知セル３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、を含んで構成される。
以上説明したＮＯＸセンサ素子及びその制御手段を用いたＮＯＸ測定原理については、図１（Ｂ）〜図１（Ｄ）に示すとおりであるから、これらを参照することとする。
次に、ＮＯＸ測定装置の診断手段について説明する。
図２は、センサ制御手段３０の入出力構成を説明するための図である。
図２を参照すると、センサ制御手段３０には、図１（Ａ）に示したＮＯＸセンサ素子が出力する第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２、酸素分圧検知電位（電極１１と電極１２間の電位差）Ｖｓが入力される。第１酸素ポンプ電流Ｉｐ１、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２及び酸素分圧検知電位Ｖｓを、内燃機関の制御装置（以下これを「ＥＣＵ」という）３１に入力してもよい。センサ制御手段３０からは、ＮＯＸ濃度検出信号ないし酸素濃度検出信号等の所要の信号、さらに、ＮＯＸセンサ素子ないしその制御手段の診断結果を現す信号（以下これを「ＯＢＤ用信号」という）が出力され、ＥＣＵ３１に入力される。
次に、センサ制御手段３０が有するＮＯＸ測定装置の診断手段について説明する。
図３は、図２に示したセンサ制御手段３０が有する診断手段の構成を説明するための図である。
図３を参照すると、センサ制御手段３０が有する診断手段は、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（通常は一定）が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する第１の診断手段３０ａと、酸素分圧検知セル３に印加される所定の電圧Ｖｓ、酸素分圧検知セル３が備える電極（Ｖｓ／Ｉｐ−電極）１１の電位（電極１１と後述の図４に示す仮想グランドとの電位差）、及び酸素分圧検知セル３の内部抵抗Ｒｐｖｓのいずれか一又は二以上が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する第２の診断手段３０ｂと、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（通常は所定範囲）が予め定められた範囲内である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していると診断し、範囲外である場合にはＮＯＸ測定装置が正常に機能していないと診断する第３の診断手段３０ｃと、を備えている。
＜第２酸素ポンプ電流及び第２酸素ポンプセルに印加される電圧を測定する検出手段＞
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（図１（Ａ）又は図４参照）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。なお、第２酸素ポンプセル２に印加される所定の電圧Ｖｐ２は、より正確には、電極１３と電極１４の電位差から求めることができる（図４参照）。
＜第１酸素ポンプ電流及び第１酸素ポンプセルに印加される電圧を測定する検出手段＞
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。
＜酸素分圧検知セルの内部抵抗検出手段等＞
図４は、図１に示した酸素分圧検知セル３の内部抵抗ないし酸素分圧検知電位差を測定する方法を説明するための図である。図４を参照すると、酸素分圧検知電位差Ｖｓを検出する場合、ＳＷをオンして、ＳＷＡ、ＳＷＢ、ＳＷＡ′及びＳＷＢ′をオフして、電極１２と電極１１の電位差を測定する。一方、酸素分圧検知セル３の内部抵抗Ｒｐｖｓを検出する場合、ＳＷＢ及びＳＷＢ′をオンしてＳＷ、ＳＷＡ及びＳＷＡ′をオフした後、ＳＷＡ及びＳＷＡ′をオンしてＳＷ、ＳＷＢ及びＳＷＢ′をオフすることにより、電極１１と電極１２の間に発生したパルス波形を用いて、内部抵抗Ｒｐｖｓを求めることができる。また、電極（ＶＳ／ＩＰ−電極）１１の電位は、電極１１と後述の図４に示す仮想グランドとの電位差が入力されるＡ／Ｄ変換器によって検出され、図２に示した第２の診断手段３０ｂを備えるセンサ制御手段３０に入力される。
センサ制御手段３０は、例えば、ＮＯＸセンサ素子の検出出力信号である第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２ないし第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２を用いて、ＮＯＸ測定装置が正常に機能しているか否かを診断する。内燃機関の排ガス中においても、ＮＯＸ濃度はきわめて小さく、ｐｐｍオーダであるから、第２酸素ポンプ電流のレンジもきわめて低いものである。例えば、素子温度、電極の活性状態、リード線の抵抗の状態が変化する事によって、変化する量である。したがって、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２を用いて、ＮＯＸセンサの状態を検出することにより、ＮＯＸ測定装置の鋭敏な状態検出が可能となる。また、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧のレンジもｍＶオーダのきわめて高い精度が達成されている。したがって、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２を用いて、ＮＯＸセンサの状態を検出することによっても、きわめて精度の高い状態検出が可能となる。なお、第１の診断手段の判定結果に基づいて、ＮＯＸセンサ素子の制御線ないし信号線の断線も検出することができる。そして、第２の診断手段３０ｂないし第３の診断手段３０ｃを個別に用いることでＮＯＸセンサの状態をそれぞれ検出できる。さらに第１の診断手段３０ａとこれらを組合せて用いて、ＮＯＸ測定装置の自己診断を行うことにより、より正確な自己診断が可能となる。
［第２の実施例］
図５（Ａ）は、本発明が適用されるＮＯＸ測定装置の構成を説明するための模式図である。図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した検出部の内部構成を説明するための模式図である。
図５（Ａ）及び図５（Ｂ）を参照すると、ＮＯＸ測定装置には、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２や第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２を検出するため、Ａ／Ｄ変換器及びその他の回路を含む検出部３２が備わっている。
検出部３２は、ＮＯＸ測定装置の異常検出手段３２ａと、異常検出手段３２ａによってＮＯＸ測定装置の異常が検出されなかった場合には、前記被測定ガスが有する所定範囲の酸素濃度及び窒素酸化物濃度に応じたレベルないしオーダーの所定の信号を該ＮＯＸ測定装置に出力させ、一方、異常検出手段３２ａによって前記ＮＯＸ測定装置の異常が検出された場合には、前記所定の信号のレベルないしオーダーを変更する変更手段３２ｂと、を有している。なお、検出部３２は、その出力手段３２ｃから、通常時、ｎＡ〜μＡオーダーの第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２、及びｍＶオーダーの第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２を出力するよう回路設計されている。
そこで、異常検出手段３２ａがＮＯＸ測定装置に異常が発生したことを検出した場合、異常検出手段３２ａから異常検出信号が送信され、この異常検出信号を受信した変更手段３２ｂは、出力手段３２ｃに、ＮＯＸ測定装置の出力信号のレベルないしオーダーを変更して出力させる。
例えば、第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２や第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２のゲインを一時的に変えて、例えば、ｍＡオーダーの第２酸素ポンプ電流Ｉｐ２、或いはＶオーダーの第２印加電圧Ｖｐ２が出力されるよう、検出部３２を構成することにより、ＮＯＸ測定装置の構成要素であるＮＯＸセンサ素子のＩｐ２セルとＮＯＸセンサ素子制御手段間の配線異常、例えば、バッテリー短絡、グランド短絡を直接検出することができる。
［第３の実施例］
ＮＯＸ測定装置に異常が生じた場合、ＮＯＸ測定装置は、排気ガス中のＮＯＸ濃度測定用としてＮＯＸ測定装置を搭載している車両システムないしＥＣＵに出力している複数のアナログ信号のうち、一又は複数のアナログ信号を正常時には取り得ないレベルで出力する。これによって、車両システムないしＥＣＵは、ＮＯＸ測定装置の異常を検出することができる。また、ＮＯＸ測定装置は、複数のアナログ信号の組合わせによって異常部位及び／又は異常状態を、車両システムないしＥＣＵに報知することができる。
図６は、本発明の第３の実施例に係るＮＯＸ測定装置におけるＮＯＸ出力範囲の構成例を説明するための図である。
燃焼ガスの混合比が正常であり、触媒が正常に機能しているならば、ＮＯＸ濃度は正数であり且つ５００ｐｐｍ以下となるはずである。図６を参照して、そこで、ＮＯＸ濃度を示すＮＯＸ信号の出力範囲を−１００〜６００ｐｐｍと定義し、正常時には、０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲のＮＯＸ濃度に相当するＮＯＸ信号が出力され、異常時には、−１００ｐｐｍ又は６００ｐｐｍのＮＯＸ濃度に相当するレベルのＮＯＸ信号が出力されるよう、ＮＯＸ測定装置を構成する。
［第４の実施例］
本発明の第４の実施例に係るＮＯＸ測定装置は、前記ＮＯＸ測定装置の正常時には所定範囲のコードで出力されるデジタル信号のコードを、異常時には正常時に使用されない範囲のコードに変更することにより、前記異常検出手段によって検出された前記ＮＯＸ測定装置の異常部位を報知する変更手段、を有する。
［第５の実施例］
図７は、本発明の第５の実施例に係るＮＯＸ測定装置における複数の信号の構成例を説明するための図である。
ＮＯＸ測定装置に異常が生じた場合、本実施例に係るＮＯＸ測定装置は、排気ガス中のＮＯＸ濃度測定用としてＮＯＸ測定装置を搭載している車両システムないしＥＣＵに出力している複数のアナログ信号のうち、一又は複数のアナログ信号を正常時には取り得ないレベルで出力する。これによって、車両システムないしＥＣＵは、ＮＯＸ測定装置の異常を検出することができる。また、ＮＯＸ測定装置は、複数のアナログ信号の組合わせによって異常部位及び／又は異常状態を、車両システムないしＥＣＵに報知することができる。
図７を参照すると、本実施例においては、ＮＯＸ信号の出力範囲は前記第３の実施例と同様に定義する。また、Ｏ２信号の出力範囲を酸素濃度−２０〜３０％と定義し、正常時には、酸素濃度０％から最大でも大気中の酸素濃度を示すＯ２信号が出力され、異常時には酸素濃度３０％を示すＯ２信号が出力されるよう、ＮＯＸ測定装置を構成する。なお、大気中でも、酸素濃度は約２０％であるから、ＮＯＸ測定装置の正常時、酸素濃度３０％が検出されることは有り得ない。
更に、λ信号の出力範囲を０．９から１．１と定義する。λ信号は、正常時には０．９５〜１．０５λを表す。そこで、λ信号の出力を０．９５又は１．０５で飽和させ、異常時には０．９又は１．１を示すλ信号が出力されるよう、ＮＯＸ測定装置を構成する。
本実施例によれば、３（ＮＯＸ信号の出力が正常時出力を含め３種類）×２（Ｏ２信号の出力が正常時出力を含め２種類）×３（λ信号の出力が正常時出力を含め３種類）−１（ＮＯＸ信号、Ｏ２信号及びλ信号がいずれも正常時出力である場合）＝１７通りの異常内容を報知することができる。
［第６の実施例］
前記実施例５に係るＮＯＸ測定装置の好ましい構成例を詳細に説明する。
図８は、本発明の実施例６に係るＮＯＸ測定装置の回路構成を説明するための模式図である。
図８を参照すると、センサ制御回路５０は、主に、Ｉｐ１ドライバ５１、ＰＩＤ制御回路５２、オペアンプ５３、Ｒｐｖｓ測定回路５４、Ｖｐ１リミッタ５５、Ｉｐ２ドライバ５６、自己診断回路を構成する異常検出手段６１，６３，６５，６７，６９及び変更手段６２，６４，６６，６８，７０を有している。センサ制御回路５０は、特定用途向集積回路（ＡＳＩＣ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ＩＣ）として実現することができる。
センサ制御回路５０の出力端子ＶＩＰ２、ＶＯ２及びＶＶＳは、ＥＣＵ３１のアナログ入力端子に接続される。
ＶＩＰ２端子には、第２酸素ポンプセル２に流れる電流の大きさに比例した電圧、すなわち、ＩＰ２検出抵抗電圧を出力することができる。
ＶＯ２端子には、第１酸素ポンプセル１に流れる電流の大きさに比例した電圧、すなわち、ＰＯＵＴ端子電圧を出力することができる。
ＶＶＳ端子には、酸素分圧検出セル３の電極Ｖｓ＋、Ｖｓ−間の電圧差に比例した電圧、すなわち、Ｖｓ＋端子電圧を出力することができる。
Ｉｐ１ドライバ５１は、第１酸素ポンプセル１にＩｐ１電流を流すためのオペアンプで、反転入力端子にはＶｃｅｎｔ端子、非反転入力端子には基準電圧（数Ｖ）がそれぞれ接続されており、また出力端子にはＩｐ１＋端子が接続されている。そして、このようなＶｃｅｎｔ端子とＩｐ１＋端子との間にセンサ素子４０の第１酸素ポンプセル１が接続されている。これにより、Ｉｐ１ドライバ５１は負帰還回路を構成するため、Ｖｃｅｎｔ端子の電位が基準電圧を常に維持するように、Ｉｐ１電流が制御される。このようにＶｃｅｎｔ端子の電圧を基準電圧に保つように制御することにより、ＰＩＤ制御回路と共同して、起電力Ｖｓが制御目標値になる様にポンプ電流が制御される。
ＰＩＤ制御回路５２は、ＡＳＩＣの入出力用信号線であるＰ１端子、Ｐ２端子およびＰ３端子に接続される抵抗やコンデンサとともに、ＰＩＤ演算回路を構成するものである。このＰＩＤ制御回路５２は、Ｖｓ制御目標値に対する酸素分圧検知セル３の起電圧Ｖｓの偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力するもので、これによりＩｐ１ドライバ５１によるＩｐ１電流が制御される。
即ち、酸素分圧検知セル３の起電圧ＶｓがＶｓ制御目標電圧よりも高い場合には、第１測定室５の酸素分圧が基準酸素分圧よりも低い状態にあるので、その不足分の酸素を第１酸素ポンプセル１により汲み込むためのＩｐ１電流が流れるように偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力する。一方、酸素分圧検知セル３の起電圧ＶｓがＶｓ制御目標電圧よりも低い場合には、第１測定室５の酸素分圧が基準酸素分圧よりも高い状態にあるので、その過剰分の酸素を第１酸素ポンプセル１により汲み出すためのＩｐ１電流が流れるように偏差量△ＶｓをＰＩＤ演算した電圧をＰｏｕｔ端子に出力する。
なお、配線４２が接続されるＣＯＭ端子に、−数μＡの定電流源が接続されているが、これはＩｃｐ電流によるＰＩＤ演算の誤差を防止するためである。
即ち、Ｖｓ＋端子には＋数μＡの定電流源が接続されており、これにより酸素分圧検知セル３にＩｃＰ電流を供給して酸素基準を作り出している。このため、ＣＯＭ端子に−数μＡの定電流源を接続し、ＰＩＤ演算回路に流れ込む電流からこの数μＡ分を差し引くことによって、ＩｃＰ電流による演算誤差を防止している。
また、Ｖｓ＋端子とＰＩＤ制御回路５２との間に接続されるオペアンプ５３は、ボルテージフォロア回路を構成している。これにより、Ｖｓ＋端子からはＰＩＤ制御回路５２側が高インピーダンスに見えるため、＋数μＡの定電流源による供給電流がＰＩＤ制御回路５２に流れ込むことを抑制している。
Ｒｐｖｓ測定回路５４は、酸素分圧検知セル３の内部抵抗Ｒｐｖｓからセンサ素子４０の温度を測定するもので、オペアンプ、抵抗及びコンデンサ等により構成されている。このＲｐｖｓ測定回路５４では、所定時間毎に酸素分圧検知セル３に所定の測定電流を流すことにより素子温度と相関関係のある酸素分圧検知セル３の内部抵抗値に対応する電圧変化を生じさせ、これにより得られた酸素分圧検知セル３の両端の電圧の変化量を定数倍に演算増幅して０〜４．５Ｖの範囲で変化するＶＲｐｖｓ電圧とする。
なお、Ｒｐｖｓ測定回路５４による測定電流を酸素分圧検知セル３に流す際には、測定電流による電圧変化がＰＩＤ制御回路の出力に変化を生じさせないようにＰＩＤ制御回路５２とオペアンプ５３との間に介在するスイッチＳＷにより両者間の接続を切断している。したがって、このＳＷによって、ＰＩＤ制御回路５２とオペアンプ５３との間が切断されている時間にＲｐｖｓ測定回路５４による測定が行われる。
Ｖｐ１リミッタ５５は、第１酸素ポンプセル１のいわゆるブラックニングを防止するための回路で、第１酸素ポンプセル１の両端電圧Ｖｐ１が一定の範囲を超える場合に作動してＶｓ目標値をシフトさせるものである。なお、「ブラックニング」とは、酸素イオンの喪失によるポンプセルの黒化現象のことをいう。
Ｉｐ２ドライバ５６は第２酸素ポンプセル２にＩｐ２電流を流すためのオペアンプであり、その非反転入力端子（＋）にはＶｐ２目標電圧が入力され、その反転入力端子側はその出力端子側に接続されている。また、出力端子にはＩｐ２電流の検出抵抗を介してＩＰ２／Ｖｐ２端子が接続されている。
本異常検出は、空燃比がリーンに制御されているときに異常であるかどうかを判断することが好ましい。空燃比がリッチ等の状態であるとＩｐ１やＶｓの状態が変わり正しく異常を検出することができなくなる場合があるからである。また、本実施例においては、異常検出の判断をセンサ制御回路５０において実行しているが、場合によっては、ＥＣＵ３１で実行することもできる。
ＮＯＸ信号異常検出手段６１には、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧が入力され、ＩＰ２／ＶＰ２端子電圧が正常範囲にある場合、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧が所定範囲以下の場合、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧が所定範囲以上の場合で、それぞれ異なる制御信号を出力する。また、ＮＯＸ信号異常検出手段６１は配線４４の異常も検出することができる。
ＮＯＸ信号変更手段６２は、ＮＯＸ信号異常検出手段６１から出力された制御信号に基づいて、いずれもＩｐ２／Ｖｐ２端子（ＮＯＸ信号出力手段）から、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧が正常範囲にある場合、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧ないしＩｐ２／Ｖｐ２端子電圧を増幅した電圧をスルーで出力させ、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子電圧が所定範囲以下の場合、ＮＯＸ＝−１００ｐｐｍに相当する電圧を出力させ、ＩＰ２／Ｖｐ２端子電圧が所定範囲以上の場合、ＮＯＸ＝６００ｐｐｍに相当する電圧を出力させる。
Ｏ２信号異常検出手段６３には、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧が入力され、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧が正常範囲にある場合、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧が所定範囲以上の場合で、それぞれ異なる制御信号を出力する。
Ｏ２信号変更手段６４は、Ｏ２信号異常検出手段６３から出力された制御信号に基づいて、いずれもＶＳ／ＩＰ−端子（Ｏ２信号出力手段）から、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧が正常範囲にある場合、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧ないしＶＳ／ＩＰ−端子電圧を増幅した電圧をスルーで出力し、ＶＳ／ＩＰ−端子電圧が所定範囲以上の場合、Ｏ２＝３０％に相当する電圧を出力する。
λ信号異常検出手段６５には、Ｉｐ１＋端子電圧（λ信号）が入力され、Ｉｐ１＋端子電圧が正常範囲にある場合、Ｉｐ１＋端子電圧が所定範囲以下の場合、Ｉｐ１＋端子電圧が所定範囲以上の場合で、それぞれ異なる制御信号を出力する。
λ信号変更手段６６は、λ信号異常検出手段６５から出力された制御信号に基づいて、いずれもＩｐ１＋端子（λ信号出力手段）から、Ｉｐ１＋端子電圧が正常範囲にある場合、Ｉｐ１＋端子電圧ないしＩｐ１＋端子電圧を増幅した電圧を出力させ、Ｉｐ１＋端子電圧が所定範囲以下の場合、λ＝０．９に相当する電圧を出力させ、Ｉｐ１＋端子電圧が所定範囲以上の場合、λ＝１．１に相当する電圧を出力させる。
Ｖｓセル信号異常検出手段６７には、Ｖｓ＋端子電圧が入力され、Ｖｓ＋端子電圧が正常範囲にある場合、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以下の場合、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以上の場合で、それぞれ異なる制御信号を出力する。
Ｖｓセル信号変更手段６８は、Ｖｓセル信号異常検出手段６７から出力された制御信号に基づいて、いずれもＶＶＳ＋端子（ＶＶＳ＋信号出力手段）から、Ｖｓ＋端子電圧が正常範囲にある場合、Ｖｓ＋端子電圧ないしＶｓ＋端子電圧が増幅された信号をスルーで出力させ（Ｖｓ＋端子電圧に応じた信号を増幅して出力してもよい）、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以下の場合、図８のＬＯＷに相当する電圧を出力させ、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以上の場合、図８のＨｉｇｈに相当する電圧を出力する。
ＶＲｐｖｓ信号異常検出手段６９には、ＶＲｐｖｓ測定回路５４によって測定された酸素分圧検知セル３の内部抵抗Ｒｐｖｓに対応するＶＲｐｖｓ信号が入力され、ＶＲｐｖｓ信号のレベルが正常範囲にある場合、ＶＲｐｖｓ信号のレベルが所定範囲以下の場合、ＶＲｐｖｓ信号のレベルが所定範囲以上の場合で、それぞれ異なる制御信号を出力する。
ＶＲｐｖｓ信号変更手段７０は、ＶＲｐｖｓ信号異常検出手段６９から出力された制御信号に基づいて、ＶＲｐｖｓ端子（ＶＲｐｖｓ信号出力手段）から、ＶＲｐｖｓ信号が正常範囲にある場合、ＶＲｐｖｓ信号ないしＶＲｐｖｓ信号を増幅した信号をスルーで出力させ、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以下の場合、図８のＬに相当する電圧を出力させ、Ｖｓ＋端子電圧が所定範囲以上の場合、図８のＨもしくはＨＨに相当する電圧を出力する。
本実施例によれば、ＮＯＸ信号の正常時には、０ｐｐｍ〜５００ｐｐｍの範囲のＮＯＸ濃度に相当するＮＯＸ信号が出力され、ＮＯＸ信号の異常時には、−１００ｐｐｍ又は６００ｐｐｍのＮＯＸ濃度に相当するレベルのＮＯＸ信号が出力され、Ｏ２信号の正常時には、酸素濃度０％から最大でも大気中の酸素濃度を示すＯ２信号が出力され、Ｏ２信号の異常時には酸素濃度３０％を示すＯ２信号が出力され、λ信号の異常時には０．９又は１．１を示すλ信号が出力される。
なお、本実施例に係るＮＯＸ測定装置は、さらに、λ信号異常検出手段と同様に機能するＶＲｐｖｓ信号異常検出手段、及び、λ信号変更手段と同様に機能するＶＲｐｖｓ信号変更手段を有していてもよい。
［第７の実施例］
本発明の第７の実施例に係るＮＯＸ測定装置を説明する。異常が検出された際に検出ゲインを変えない場合でも、例えば、「ＮＯＸ検知セル（Ｉｐ２セル）と制御回路間の配線」と、「その他のセンサ配線」との短絡が発生した際には、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２と、短絡している配線間の電圧が似ることから、バッテリ短絡、グランド短絡等の異常を検出することができる。なお、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２は、正常時、ｍＶのオーダーであり、一方、例えば、バッテリ短絡、仮想グランド短絡等の異常が発生した場合には、第２酸素ポンプセル２に印加される電圧Ｖｐ２はＶのオーダーとなる。
［第８の実施例］
本発明の第８の実施例に係るＮＯＸ測定装置を説明する。
図９は、図８に示したＮＯＸ測定装置にさらに適用される、各異常検出手段の構成を説明するための図である。
図９を参照すると、自己診断回路（異常検出手段）５８は、主に、ウィンドウコンパレータ５８ａ、５８ｂ、コンパレータ５８ｃから構成されており、センサ素子４０の３つのセルに接続された４本の配線４１、４２、４３、４４の異常検出等を行う。
即ち、例えばＡＳＩＣの、Ｖｓ＋端子の電位が所定の範囲内にあるか否かをウィンドウコンパレータ５８ａにより判断し、ＡＳＩＣのＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）の電位が所定の範囲内にあるか否かをウィンドウコンパレータ５８ｂにより判断する。またＡＳＩＣのＶｓ＋端子、Ｉｐ１＋端子、Ｖｃｅｎｔ端子、ＶＳ／Ｉｐ１−端子（ＣＯＭ端子）、Ｉｐ２／Ｖｐ２端子及びＰｏｕｔ端子のうちのいずれか一つの端子の電位が所定値（所定電圧）を超えたか否かをコンパレータ５８ｃにより判断する。
図１０及び図１１を参照すると、異常検出手段であるウィンドウコンパレータ５８ａ、５８ｂ、コンパレータ５８ｃから出力される信号に基づく制御信号を受信して、例えば、Ｖｓ＋端子、Ｉｐ１＋端子及びＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）のいずれかがバッテリショートを起こした場合、ＶＶＳ端子及びＶＩＰ端子は正常値より低電圧に、ＶＲｐｖｓ端子は正常値より高電圧に設定される。同様にＶｓ＋端子、Ｉｐ１＋端子及びＣＯＭ端子のいずれかがグラウンドとショートしたり、断線した場合は、図１０及び図１１に示す電位が設定される。
また、Ｖｓ＋端子では、その電位は、通常、ＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）の基準電圧に酸素分圧検出セル３の起電圧Ｖｓを加えた値（基準電圧＋起電圧Ｖｓ）に保たれている。そのため、ウィンドウコンパレータ５８ａの上限値を“基準電圧＋起電圧Ｖｓ＋α”、下限値を“基準電圧＋起電圧Ｖｓ−β”に設定することにより、Ｖｓ＋端子の電位が上限値Ｖを超えて上昇したとき、あるいはＶｓ＋端子の電位が下限値を超えて下降したときには異常が発生したものとして信号を発する。
また、ＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）では、その電位は、Ｉｐ１ドライバ５１により常に基準電圧になるように制御されている。そのため、ウィンドウコンパレータ５８ｂの上限値を基準電圧＋γ、下限値を基準電圧−δに設定することにより、ＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）の電位が上限値を超えて上昇したとき、あるいはＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）の電位が下限値を超えて下降したときには異常が発生したものとして信号を発する。
これらの異常は、いずれかの端子が断線した、バッテリの電源ラインと短絡した、及び回路を構成する素子の故障等が考えられる。
更に、コンパレータ５８ｃでは、ＡＳＩＣのＶｓ＋端子、Ｉｐ１＋端子、Ｖｃｅｎｔ端子、ＶＳ／ＩＰ−端子（ＣＯＭ端子）及びＰｏｕｔ端子の各電位が、ＡＳＩＣ内の回路の駆動電圧を超えているか否かを判断している。これらの各端子は、駆動電源の電圧変動等を見込んだ値を上限値（駆動電圧＋ε）に設定したコンパレータ５８ｃによって監視されており、いずれかの端子の電位が上限値を超えて上昇したときには、その端子がバッテリの電源ラインＢＡＴＴに短絡し、異常が発生したものと判断して信号を発する。
本異常検出システムは、空燃比がリーンに制御されているときに異常であるかどうかを判断することが好ましい。空燃比がリーンの間では、Ｉｐ１＋やＶｓ＋の状態が安定しているため、正しく異常を検出することができるからである。また、本空燃比による異常検出の判断はＥＣＵ３１によって行ってもよい。
［第９の実施例］
本発明の第９の実施例に係るＮＯＸ測定装置を説明する。図８に示した本発明の第６の実施例に係るＮＯＸ測定装置は、Ｒｐｖｓ測定回路５４を備えている。Ｒｐｖｓ測定回路５４によって、素子インピーダンス（Ｒｐｖｓ）を検出することによって、センサ素子温度を測定することができる。Ｒｐｖｓ測定回路５４により、ＮＯＸセンサ素子とその制御回路間などに生じる接触抵抗の異常を検出することができる。
例えば、制御目標とする素子温度に相当する素子抵抗が２５０Ωであって、製造不良などにより、配線と素子との電気的接続が完全ではなく、例えば、１００Ω程度の接触抵抗がある場合、ＮＯＸセンサ素子の制御手段ないしＮＯＸセンサ素子に付設されたヒータの制御を司る制御手段は、素子抵抗が１５０Ωになるようにヒータ制御を行う。この場合、接触抵抗がない場合と比べて、ＮＯＸ出力が大きく変動する、及び／又はＮＯＸ出力のレベルないしオーダーが異なることとなる。この特性を利用して、例えば、生産ライン上でＮＯＸ出力を確認することにより、不具合品の出荷を防止することができる。また、実機においても、Ｒｐｖｓに関する異常であるということが検出できる。
本発明の第９の実施例に係るＮＯＸ測定装置は、このような素子抵抗の異常を、図８に示した異常検出手段６１，６３，６５，６７，６９及び変更手段６２，６４，６６，６８，７０を用いて、所定の信号の変化の度合いをさらに拡大して出力することができる。
［第１０の実施例］
図８に示した、本発明の第８の実施例に係るＮＯＸ測定装置において、異常検出手段６１，６３，６５，６７，６９及び変更手段６２，６４，６６，６８，７０の回路構成の一例を説明する。本実施例においては、Ｖｓセル信号異常検出手段６７及びＶｓセル信号変更手段６８について説明するが、本実施例で説明した回路構成は、その他の異常検出手段及びその他の変更手段にもそれぞれ適用可能である。
図１２は、図８に示したＮＯＸ測定装置に適用される、異常検出手段及び変更手段の回路構成の一例を説明するための図であり、図１３は、図１２に示した回路に入力される信号と出力する信号との関係を示す図である。
図１２を参照すると、Ｖｓセル信号異常検出手段６７は、第１の比較器７１ａと、第２の比較器７１ｂと、ＮＯＲ回路７２と、を含んで構成されている。Ｖｓセル信号変更手段６８は、第０のアナログスイッチ７４と、第１のアナログスイッチ７５と、第２のアナログスイッチ７６と、を含んで構成されている。
図１２に示した回路構成の動作を、図１３を参照して説明する。第１の比較器７１ａは、Ｖｓ＋電圧が正常範囲よりも上の異常範囲にある場合、Ｈｉｇｈを出力する。第２の比較器７１ｂは、Ｖｓ＋電圧が正常範囲よりも下の異常範囲にある場合、Ｈｉｇｈを出力する。
Ｖｓ＋電圧（Ｖｓ＋信号）が正常範囲にある場合、第１の比較器７１ａ及び第２の比較器７１ｂからＬｏｗが出力されて、ＮＯＲ回路７３からはＨｉｇｈが出力されて第０のアナログスイッチ７４のみがオンされ、増幅器７３によって増幅されたＶｓ＋電圧が所定の端子（出力手段）からそのまま出力される。Ｖｓ＋電圧（Ｖｓ＋信号）が正常範囲より上の異常範囲にある場合、第１の比較器７１ａからＨｉｇｈ、第２の比較器７１ｂからＬｏｗが出力されて、第１のアナログスイッチ７５のみがオンされ、５Ｖ電圧がそのまま所定の端子（出力手段）から出力される。Ｖｓ＋電圧（Ｖｓ＋信号）が正常範囲より下の異常範囲にある場合、第１の比較器７１ａからＬｏｗ、第２の比較器７１ｂからＨｉｇｈが出力されて、第２のアナログスイッチ７６のみがオンされ、０Ｖ電圧がそのまま所定の端子（出力手段）から出力される。
発明の効果
本発明によれば、内燃機関の排気ガス中のＮＯＸ測定に好適に適用されるＮＯＸセンサの状態を的確に認識することができ、車両故障診断（ＯＢＤ）に適用することができる、ＮＯＸ測定装置、ＮＯＸセンサの自己診断装置及びその自己診断方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
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は、図１（Ａ）に示したＮＯＸ測定装置の診断手段を含む制御手段の入出力構成を説明するための図である。
図３は、図２に示したセンサ制御手段が有する診断手段の構成を説明するための図である。
図４は、図１に示した酸素分圧検知セルの内部抵抗ないし酸素分圧検知電位差を測定する方法を説明するための図である。
図５（Ａ）は、本発明が適用されるＮＯＸ測定装置の構成を説明するための模式図であり、図５（Ｂ）は、図５（Ａ）に示した検出部の内部構成を説明するための模式図である。
図６は、本発明の第３の実施例に係るＮＯＸ測定装置におけるＮＯＸ出力範囲の構成例を説明するための図である。
図７は、本発明の第５の実施例に係るＮＯＸ測定装置における複数の信号の構成例を説明するための図である。
図８は、本発明の実施例６に係るＮＯＸ測定装置の回路構成を説明するための模式図である。
図９は、図８に示したＮＯＸ測定装置に適用される、各異常検出手段の構成を説明するための図である。
図１０は、本発明の第８の実施例に係るＮＯＸ測定装置において、各端子の電位と異常種類の組み合わせとを対応付ける図である。
図１１は、図１０に示す各端子の電位の範囲を説明するための図である。
図１２は、図８に示したＮＯＸ測定装置に適用される、異常検出手段及び変更手段の回路構成の一例を説明するための図である。
図１３は、図１２に示した回路に入力される信号と出力する信号との関係を示す図である。
符号の説明
１  第１酸素ポンプセル
２  第２酸素ポンプセル
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
７  第１拡散孔
８  第２拡散孔
９  電極
１０  電極
１１  電極
１２  電極
１３  電極
１４  電極
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
３０  センサ制御手段
３０ａ  第１の診断手段
３０ｂ  第２の診断手段
３０ｃ  第３の診断手段
３１  ＥＣＵ
３２  検出部
３２ａ  異常検出手段
３２ｂ  変更手段
３２ｃ  出力手段
４１、４２、４３、４４  配線
５０  センサ制御回路
５１  Ｉｐ１ドライバ
５２  ＰＩＤ制御回路
５３  オペアンプ
５４  Ｒｐｖｓ測定回路
５５  Ｖｐ１リミッタ
５６  Ｉｐ２ドライバ
５８  自己診断回路
５８ａ，５８ｂ  ウィンドウコンパレータ
５８ｃ  コンパレータ
６１  ＮＯＸ信号異常検出手段
６２  ＮＯＸ信号変更手段
６３  Ｏ２信号異常検出手段
６４  Ｏ２信号変更手段
６５  λ信号異常検出手段
６６  λ信号変更手段
６７  Ｖｓセル信号異常検出手段
６８  Ｖｓセル信号変更手段
６９  ＶＲｐｖｓ信号異常検出手段
７０  ＶＲｐｖｓ信号変更手段
７１ａ  第１の比較器
７１ｂ  第２の比較器
７２  ＮＯＲ回路
７３  増幅器
７４  第０のアナログスイッチ
７５  第１のアナログスイッチ
７６  第２のアナログスイッチ
【図１】
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【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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【国際調査報告】
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