(57)【要約】【課題】各セルの活性化を適正に判定し、それぞれ最適な時期にて酸素濃度信号や特定ガス濃度信号の使用を開始すること。【解決手段】ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を備える。制御回路２００は、ポンプセル１１０への電圧印加時に流れる電流に基づきＡ／Ｆ値を出力すると共に、センサセル１３０への電圧印加時に流れる電流に基づきＮＯｘ濃度値を出力する。また、同制御回路２００は、ガス濃度センサ１００の活性途中においてポンプセル１１０の活性判定とセンサセル１３０の活性判定とを個別に行い且つポンプセル１１０の活性化が完了した旨判定した後、センサセル１３０の活性判定を行う。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質素子と当該素子に配置された一対の電極とを有しチャンバに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込む第１セルと、同じく固体電解質素子と当該素子に配置された一対の電極とを有し前記第１セルを通過した後のガスから特定ガス成分の濃度を検出するための第２セルとを備えたガス濃度センサを用い、前記第１セルへの電圧印加時に流れる電流に基づき酸素濃度信号を出力すると共に、前記第２セルへの電圧印加時に流れる電流に基づき特定ガス濃度信号を出力するガス濃度検出装置において、
ガス濃度センサの活性途中において第１セルの活性判定と第２セルの活性判定とを個別に行い且つ第１セルの活性化が完了した旨判定した後、第２セルの活性判定を行うことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
チャンバ内に設けられた第１セル電極は特定ガス成分に不活性な特定ガス不活性電極であるのに対し、同じくチャンバ内に設けられた第２セル電極は特定ガス成分に活性な特定ガス活性電極である請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
前記ガス濃度センサは前記第１セルを通過した後のガスから残留酸素濃度を検出する第３セルを更に備え、該第３セルの検出結果を基に前記第１セルへの印加電圧を可変に制御する請求項１又は２記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
何れかのセルの固体電解質素子の抵抗値を検出する素子抵抗検出手段を備え、該素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値が所定の目標値に保持されるよう素子活性化のための制御を実施するガス濃度検出装置であって、
前記ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値の推移を監視し、当該素子抵抗値が前記目標値を基準とする活性判定値に達した時に、前記第１セルが活性化した旨判定する請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
前記ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値が前記活性判定値に達したこと、及び当該活性判定値に達した後所定時間が経過したことから前記第１セルが活性化した旨判定する請求項４記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
前記ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値が前記活性判定値に達したこと、及び第１セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第１セルが活性化した旨判定する請求項４記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
素子活性化のためのヒータ通電制御を実施するガス濃度検出装置であって、
前記ガス濃度センサの活性途中においてヒータ通電制御の開始から所定時間が経過した時に、前記第１セルが活性化した旨判定する請求項１乃至３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記第１セルが活性化した旨判定した後その活性化からの経過時間を計時し、該経過時間が所定時間に達した時に前記第２セルが活性化した旨判定する請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
前記第１セルが活性化した後の経過時間が所定時間に達したこと、及び第２セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第２セルが活性化した旨判定する請求項８記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
前記第１セルを通過した後のガスから残留酸素濃度を検出する第３セルを備えたガス濃度センサを用い、前記第１セルが活性化した後の経過時間が所定時間に達したこと、及び第３セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第２セルが活性化した旨判定する請求項８記載のガス濃度検出装置。
【請求項１１】
請求項８乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置において、前記所定時間は、前記第２セルの特定ガス活性電極に吸着した酸素を全て放出するのに要する時間を根拠に定められるガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の酸素濃度と特定ガス成分の濃度とをガス濃度センサにて検出し、その結果を基に酸素濃度信号と特定ガス濃度信号とを出力するガス濃度検出装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
この種のガス濃度検出装置として、限界電流式のガス濃度センサを用い、例えば車両用エンジンから排出される排ガス中のＮＯｘ（窒素酸化物）を検出するものがある。ガス濃度センサは、例えばポンプセル、センサセル及びモニタセルからなる３セル構造を有し、ポンプセルではチャンバに導入した排ガス中の酸素の排出又は汲み込みが行われ同時に排ガス中の酸素濃度検出が行われる。また、センサセルではポンプセルを通過した後のガスからＮＯｘ濃度（特定ガス成分の濃度）が検出され、モニタセルではポンプセル通過後のチャンバ内の残留酸素濃度が検出される。
【０００３】
上記ガス濃度センサにおいては、ポンプセルが所定の活性状態にあることを条件に正常な酸素濃度信号が得られることに加え、センサセルが同じく所定の活性状態にあることを条件に正常なＮＯｘ濃度信号が得られるようになっている。そのため一般には、各セルが設けられる固体電解質素子の抵抗値（例えば素子インピーダンス）が検出され、その素子インピーダンスが活性温度相当の目標値になるようヒータ通電による活性化制御が実施される。例えば、センサセルを対象に素子インピーダンスが検出され、素子インピーダンスの検出値と目標値との偏差に応じてヒータの通電がフィードバック制御される（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−１７１４３９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、既存の技術では、各セルにおける実際の活性化の程度に関係なく、ポンプセルの活性完了の判定とセンサセルの活性完了の判定とが同一時期に行われる。そのため、酸素濃度信号やＮＯｘ濃度信号がエンジン制御等に使えるようになるには、センサ始動後、数分程度待たなければならないこともある。これにより、センサ出力を早期に使いたいという要望に応えられないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、各セルの活性完了を適正に判定し、それぞれ最適な時期にて酸素濃度信号や特定ガス濃度信号の使用を開始することができるガス濃度検出装置を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明のガス濃度検出装置では、第１セルへの電圧印加時に流れる電流に基づき酸素濃度信号が出力されると共に、第２セルへの電圧印加時に流れる電流に基づき特定ガス濃度信号が出力される。特に請求項１の発明では、ガス濃度センサの活性途中において第１セルの活性判定と第２セルの活性判定とが個別に行われ、更にその際第１セルの活性化が完了した旨判定された後、第２セルの活性判定が行われる。また、請求項２に記載したように、チャンバ内に設けられた第１セル電極は特定ガス成分に不活性な特定ガス不活性電極であるのに対し、同じくチャンバ内に設けられた第２セル電極は特定ガス成分に活性な特定ガス活性電極である。
【０００８】
要するに、上記ガス濃度センサでは活性状態下で正常な信号出力が得られ、活性判定を行うことが必須要件となる。このとき、第１セルと第２セルとを比べるとそれぞれ活性化に要する時間が異なり、第１セルの方が早く活性化（活性完了）する。すなわち、ガス濃度センサの初期状態（冷間状態）から活性化を開始した場合、第１セルによりチャンバ内の余剰酸素が排出され、該チャンバ内の残留酸素濃度が所定レベルに到達すると、その時点で第１セルによる検出電流が正常なものとなり第１セルが活性完了したと判定できる。これに対し、第２セルでは、センサ停止中に当該第２セルを構成する電極（例えばロジウム等の特定ガス活性電極）に酸素が吸着し、その吸着酸素を排出するのに数分程度の時間を要することが本願発明者らにより確認されている（特定ガス不活性電極である第１セル電極でも酸素吸着はあるがその吸着量は僅かである）。故に、第１セルの活性化が完了したとしても第２セルでの活性化は未だ完了しておらず、その後第２セルの活性化が完了する。本発明によれば、各セル個別に活性判定が行われることにより、各セルの活性完了を適正に判定し、それぞれ最適な時期にて酸素濃度信号や特定ガス濃度信号の使用を開始することができるようになる。特に第１セルについては、第２セルの活性完了を待たずに活性完了が判定でき、正常な酸素濃度信号が早期に使用できるようになる。
【０００９】
請求項３に記載の発明では、前記ガス濃度センサは、第１セルを通過した後のガスから残留酸素濃度を検出する第３セルを備え、該第３セルの検出結果を基に前記第１セルへの印加電圧を可変に制御する。本構成によれば、チャンバ内における残留酸素濃度を高精度に制御することが可能となる。
【００１０】
請求項４に記載の発明では、素子抵抗検出手段により何れかのセルの固体電解質素子の抵抗値を検出し、該検出した素子抵抗値が所定の目標値に保持されるよう素子活性化のための制御を実施する。そして、ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値の推移を監視し、当該素子抵抗値が前記目標値を基準とする活性判定値に達した時に前記第１セルが活性化した旨判定する。活性判定値は、前記目標値と同じ値にしても良いし、目標値到達前の活性途中の値としても良い。本構成によれば、やはり第１セルについて正常な酸素濃度信号が早期に得られるようになる。
【００１１】
第１セルの活性速度はガス濃度センサ毎に異なるため、請求項５に記載したように、ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値が前記活性判定値に達したこと、及び当該活性判定値に達した後所定時間が経過したことから前記第１セルが活性化した旨判定すると良い。又は、請求項６に記載したように、ガス濃度センサの活性途中において前記素子抵抗検出手段により検出した素子抵抗値が前記活性判定値に達したこと、及び第１セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第１セルが活性化した旨判定すると良い。請求項５，６によれば、活性判定の精度向上を図ることができる。
【００１２】
また、請求項７に記載の発明では、ガス濃度センサの活性途中においてヒータ通電制御の開始から所定時間が経過した時に、前記第１セルが活性化した旨判定する。この構成であっても、第１セルについて正常な酸素濃度信号を早期に得ることが可能となる。
【００１３】
請求項８に記載の発明では、前記第１セルが活性化した旨判定した後その活性化からの経過時間を計時し、該経過時間が所定時間に達した時に前記第２セルが活性化した旨判定する。本構成によれば、第１セルの活性完了後において適正な時期に第２セルの活性完了が判定できる。
【００１４】
第２セルの活性速度はガス濃度センサ毎に異なるため、請求項９に記載したように、前記第１セルが活性化した後の経過時間が所定時間に達したこと、及び第２セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第２セルが活性化した旨判定すると良い。又は、請求項１０に記載したように、前記第１セルが活性化した後の経過時間が所定時間に達したこと、及び第３セル検出電流が所定範囲に入ったことから前記第２セルが活性化した旨判定すると良い。請求項９，１０によれば、活性判定の精度向上を図ることができる。
【００１５】
また、請求項１１に記載したように、前記所定時間は、前記第２セルの特定ガス活性電極に吸着した酸素を全て放出するのに要する時間を根拠に定められると良い。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、この発明を具体化した一実施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置は、例えば自動車用エンジンに適用されるものであって、限界電流式ガス濃度センサを用い、被検出ガスである排ガスから酸素濃度を検出すると共に特定ガス成分の濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。
【００１７】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図２を用いて説明する。図２のガス濃度センサは、「第１セル」としてのポンプセル、「第２セル」としてのセンサセル及び「第３セル」としてのモニタセルからなる３セル構造を有し、排ガス中の酸素濃度とＮＯｘ濃度とを同時に検出可能な、いわゆる複合型ガスセンサとして具体化されている。なお、モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素排出の機能を具備するため、第２のポンプセルと称される場合もある。図２（ａ）は、センサ素子の先端部構造を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
ガス濃度センサ１００において、酸素イオン伝導性材料からなる固体電解質（固体電解質素子）１４１，１４２はシート状をなし、アルミナ等の絶縁材料からなるスペーサ１４３を介して図の上下に所定間隔を隔てて積層されている。このうち、図の上側の固体電解質１４１にはピンホール１４１ａが形成されており、このピンホール１４１ａを介して当該センサ周囲の排ガスが第１チャンバ１４４内に導入される。第１チャンバ１４４は、絞り部１４５を介して第２チャンバ１４６に連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００１９】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に面するようにしてポンプセル１１０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に導入した排ガス中の酸素を排出又は汲み込む働きをすると共に酸素排出又は汲み込みの際に排ガス中の酸素濃度を検出する。ここで、ポンプセル１１０は、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１１１，１１２を有し、そのうち特に第１チャンバ１４４側の電極１１１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。ポンプセル１１０は、第１チャンバ１４４内に存在する酸素を分解して電極１１２より大気通路１５０側に排出する。
【００２０】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に面するようにしてモニタセル１２０及びセンサセル１３０が設けられている。モニタセル１２０は、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度に応じて起電力、又は電圧印加に伴い電流出力を発生する。また、センサセル１３０は、ポンプセル１１０を通過した後のガスからＮＯｘ濃度を検出する。
【００２１】
特に本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、排ガスの流れ方向に対して同等位置になるよう、モニタセル１２０及びセンサセル１３０が並列に配置されると共に、これら各セル１２０，１３０の大気通路１４８側の電極が共通電極１２２となっている。すなわち、モニタセル１２０は、固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１２１及び共通電極１２２とにより構成され、センサセル１３０は、同じく固体電解質１４１とそれを挟んで対向配置された電極１３１及び共通電極１２２とにより構成されている。なお、モニタセル１２０の電極１２１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに不活性なＡｕ−Ｐｔ等の貴金属からなるのに対し、センサセル１３０の電極１３１（第２チャンバ１４６側の電極）はＮＯｘガスに活性な白金Ｐｔ、ロジウムＲｈ等の貴金属からなる。
【００２２】
図３（ａ）は、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極を第２チャンバ１４６側から見た平面断図であり、図３（ｂ）は、これら各セルの電極を大気通路１４８側から見た平面断図である。本構成によれば、モニタセル１２０及びセンサセル１３０では排ガス導入距離が同じになる。その結果、ポンプセル１１０通過後の残留酸素に対するモニタセル１２０とセンサセル１３０との感度が同等になり、精度の高いガス濃度検出が可能になる。但し、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極は、図３（ａ）のように、排ガスの流れ方向に沿って並列に配置すること以外に、排ガスの流れ方向に前後（すなわち、図の左右）に配置することも可能である。例えば、モニタセル１２０を上流側（図の左側）に、センサセル１３を下流側（図の右側）に配置する。また、各セルにおいて共通電極１２２を用いることも必須ではなく、各セル個別の電極を用いることも可能である。
【００２３】
固体電解質１４２の図の下面にはアルミナ等よりなる絶縁層１４９が設けられ、この絶縁層１４９により大気通路１５０が形成されている。また、絶縁層１４９には、センサ全体を加熱するためのヒータ１５１が埋設されている。ヒータ１５１はポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０を含めたセンサ全体を活性状態にすべく、外部からの給電により熱エネルギを発生させる。
【００２４】
上記構成のガス濃度センサ１００において、排ガスは多孔質拡散層１４７及びピンホール１４１ａを通って第１チャンバ１４４に導入される。そして、この排ガスがポンプセル１１０近傍を通過する際、ポンプセル電極１１１，１１２間に電圧Ｖｐを印加することで分解反応が起こり、第１チャンバ１４４内の酸素濃度に応じてポンプセル１１０を介して酸素が出し入れされる。なおこのとき、第１チャンバ１４４側の電極１１１がＮＯｘ不活性電極であるので、ポンプセル１１０では排ガス中のＮＯｘは分解されず、酸素のみが分解されて大気通路１５０に排出される。そして、ポンプセル１１０に流れた電流（ポンプセル電流Ｉｐ）により、排ガス中に含まれる酸素濃度が検出される。
【００２５】
その後、ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバ１４６に流れ込み、モニタセル１２０では、ガス中の残留酸素濃度に応じた出力が発生する。モニタセル１２０の出力は、モニタセル電極１２１，１２２間に所定の電圧Ｖｍを印加することでモニタセル電流Ｉｍとして検出される。また、センサセル電極１３１，１２２間に所定の電圧Ｖｓを印加することでガス中のＮＯｘが還元分解され、その際発生する酸素が大気通路１４８に排出される。その際、センサセル１３０に流れた電流（センサセル電流Ｉｓ）により、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度が検出される。
【００２６】
因みに、ポンプセル１１０では、その都度の排ガス中の酸素濃度（すなわちポンプセル電流Ｉｐ）に応じて印加電圧Ｖｐが可変に制御されるようになっており、一例として、当該ポンプセル１１０の限界電流特性に基づき作成された印加電圧マップを用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに応じて印加電圧Ｖｐが制御される。これにより、排ガス中の酸素濃度が高くなるほど印加電圧が高電圧側にシフトするようにして印加電圧制御が実施される。それ以外に、第２チャンバ１４６内の残留酸素濃度が一定になるように、言い換えればモニタセル電流Ｉｍが一定となるように印加電圧Ｖｐがフィードバック制御される構成であっても良い。以上の制御により、第１チャンバ１４４に導入された排ガス中の酸素をいち早く排出し、酸素排出後における残留酸素濃度を所望の低濃度レベルに保持することが可能となる。
【００２７】
ところで、上述した通りガス濃度センサ１００では、ポンプセル１１０で排ガス中の余剰酸素が排出された後、所定の残留酸素を含むガスがモニタセル１２０及びセンサセル１３０に給送される。そして、モニタセル１２０においてはガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル電流Ｉｍが計測され、センサセル１３０においてはガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンサセル電流Ｉｓが計測される。但しこのとき、センサセル１３０では、本来ガス中のＮＯｘだけが還元分解されてそれに伴う電流値が計測されるのが望ましいが、実際にはガス中の残留酸素分（微量酸素量）に応じた電流成分も併せて計測される。つまり、計測されるセンサセル電流ＩｓにはＮＯｘ反応分と残留酸素反応分とが含まれ、このうち残留酸素反応分がオフセット誤差となる。そこで本実施の形態では、センサセル電流Ｉｓからオフセット誤差分を排除すべく、計測されたセンサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算し、その差分値（Ｉｓ−Ｉｍ）に基づいてＮＯｘ濃度出力を得るようにしている。便宜上以下の説明では、（Ｉｓ−Ｉｍ）値を「ＮＯｘ検出電流」と記載する。
【００２８】
次に、ガス濃度検出装置の電気的な構成を図１を用いて説明する。なお図１には、前述のガス濃度センサ１００を用いたガス濃度検出装置を示すが、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置については、便宜上、横並びの状態で示す。
【００２９】
図１において、制御回路２００は、ＣＰＵ、Ａ／Ｄ変換器、Ｄ／Ａ変換器、Ｉ／Ｏポート等を備える周知のマイクロコンピュータで構成されており、各セル１１０〜１３０の印加電圧をＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ０〜Ｄ／Ａ２）より適宜出力する。また、制御回路２００は、各セル１１０〜１３０に流れる電流を測定すべく、各端子Ｖｃ、Ｖｅ、Ｖｄ、Ｖｂ、Ｖｇ、Ｖｈの電圧をＡ／Ｄ変換器（Ａ／Ｄ０〜Ａ／Ｄ５）より各々入力する。制御回路２００は、ポンプセル１１０やセンサセル１３０での測定電流に基づいて排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）やＮＯｘ濃度を検出し、その検出値をＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ４，Ｄ／Ａ３）より外部に出力する。
【００３０】
回路構成について詳しくは、ポンプセル１１０において一方の電極１１２には、基準電源２０１及びオペアンプ２０２により基準電圧Ｖａが印加され、他方の電極１１１には、オペアンプ２０３及び電流検出抵抗２０４を介して制御回路２００の指令電圧Ｖｂが印加される。指令電圧Ｖｂの印加に際し、排ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル１１０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２０４により検出される。つまり、電流検出抵抗２０４の両端子電圧Ｖｂ，Ｖｄが制御回路２００に取り込まれ、その電圧Ｖｂ，Ｖｄによりポンプセル電流Ｉｐが算出される。
【００３１】
また、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の共通電極１２２には、基準電源２０５及びオペアンプ２０６により基準電圧Ｖｆが印加され、共通電極１２２とは異なる方のセンサセル電極１３１には、オペアンプ２０７及び電流検出抵抗２０８を介して制御回路２００の指令電圧Ｖｇが印加される。指令電圧Ｖｇの印加に際し、ガス中のＮＯｘ濃度に応じてセンサセル１３０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２０８により検出される。つまり、電流検出抵抗２０８の両端子電圧Ｖｇ，Ｖｈが制御回路２００に取り込まれ、その電圧Ｖｇ，Ｖｈによりセンサセル電流Ｉｓが算出される。
【００３２】
また、共通電極１２２とは異なる方のモニタセル電極１２１には、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２０９、オペアンプ２１０及び電流検出抵抗２１１を介して制御回路２００の指令電圧Ｖｃが印加される。指令電圧Ｖｃの印加に際し、ガス中の残留酸素濃度に応じてモニタセル１２０に電流が流れると、その電流が電流検出抵抗２１１により検出される。つまり、電流検出抵抗２１１の両端子電圧Ｖｃ，Ｖｅが制御回路２００に取り込まれ、その電圧Ｖｃ，Ｖｅによりモニタセル電流Ｉｍが算出される。なお、ＬＰＦ２０９は、例えば抵抗及びコンデンサからなる一次フィルタにて実現される。
【００３３】
また本実施の形態では、いわゆる掃引法を用い、モニタセル１２０を対象に「素子抵抗値」としての素子アドミタンスが検出されるようになっている。つまり、モニタセル１２０のアドミタンス検出時において、制御回路２００により、モニタセル印加電圧（指令電圧Ｖｃ）が正側又は負側の少なくとも何れかに瞬間的に（例えば数１０〜１００μｓｅｃ程度の時間で）切り換えられる。この印加電圧は、ＬＰＦ２０９により正弦波的になまされつつモニタセル１２０の両電極に印加される。交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ２０９の時定数は５μｓｅｃ程度で設定される。そして、その時の電圧変化量と電流変化量とからモニタセル１２０の素子アドミタンスが算出される（アドミタンス＝電流変化量／電圧変化量）。
【００３４】
なお、素子抵抗値として、素子アドミタンスに代えてその逆数である素子インピーダンスを検出する構成であっても良い。また、モニタセル１２０のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出することに代えて、ポンプセル１１０のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成や、センサセル１３０のアドミタンス（又はインピーダンス）を検出する構成としても良い。
【００３５】
因みに、モニタセル１２０及びセンサセル１３０では、一方の電極を共通電極１２２としたため、基準電圧側のドライブ回路が削減できるというメリットや、ガス濃度センサ１００からのリード線の取り出し本数が削減できるというメリットが得られる。また、モニタセル１２０とセンサセル１３０とは同じ固体電解質１４１で隣り合って形成されるため、掃引時には隣の電極に電流が流れ、アドミタンス（素子抵抗）の検出精度が悪化することが懸念されるが、共通電極１２２を設けることで一方の電極が同じ電位となり、この影響が低減できる。
【００３６】
また、モニタセル１２０では残留酸素濃度を検出する際に数μＡ程度の電流しか流れないのに対し、アドミタンス検出のための掃引時には数ｍＡ程度の電流が流れる。このオーダーの異なる電流を同じ検出抵抗で検出すると、オーバーレンジしたり、検出精度が悪くなったりする。そこで本実施の形態では、モニタセル１２０による残留酸素検出時とアドミタンス検出時とで電流検出抵抗を切り換えることとしている。具体的には、電流検出抵抗２１１に並列に、別の電流検出抵抗２１２とスイッチ回路２１３（例えば、半導体スイッチ）とを設ける。そして、制御回路２００のＩ／Ｏポートからの出力により、スイッチ回路２１３をオン／オフさせるよう構成する。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路２１３をオフ（開放）し、電流検出抵抗２１１による数１００ｋΩ程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍを検出する。これに対し、アドミタンス検出時には、スイッチ回路２１３をオン（閉鎖）し、電流検出抵抗２１１及び２１２による数１００Ω程度の抵抗でモニタセル電流Ｉｍを検出する。
【００３７】
また、制御回路２００内のＣＰＵは、制御指令値ＤｕｔｙをＩ／Ｏポートから出力してＭＯＳＦＥＴドライバ２５１を駆動する。このとき、ＭＯＳＦＥＴ２５２により電源２５３（例えばバッテリ電源）からヒータ１５１へ供給される電力がＰＷＭ制御される。
【００３８】
次に、上記の如く構成されたガス濃度検出装置の作用を説明する。図４は、制御回路２００により実施されるメインルーチンの概要を示すフローチャートであり、同ルーチンは制御回路２００への電源投入に伴い起動される。
【００３９】
図４において、先ずステップＳ１００では、前回のＡ／Ｆ（酸素濃度）及びＮＯｘ濃度の検出時から所定時間Ｔａが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔａは、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出周期に相当する時間であって、例えばＴａ＝４ｍｓｅｃ程度に設定される。そして、ステップＳ１００がＹＥＳであることを条件に、後続のステップＳ１１０ではＡ／Ｆ活性判定の処理を実施すると共に、ステップＳ１２０ではＮＯｘ活性判定の処理を実施する。Ａ／Ｆ活性判定は、ポンプセル１１０が活性完了して正常なＡ／Ｆ出力が得られるようになったか否かを判定するものであり、ＮＯｘ活性判定は、センサセル１３０が活性完了して正常なＮＯｘ濃度出力が得られるようになったか否かを判定するものである。これらの活性判定の詳細は後述する。
【００４０】
その後、ステップＳ１３０では、Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出処理を実施する。Ａ／Ｆ（酸素濃度）の検出処理では、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じたポンプセル印加電圧を設定すると共に、その電圧印加時に計測されるポンプセル電流ＩｐのＡ／Ｄ値を取り込む。そして、該取り込んだポンプセル電流ＩｐをＡ／Ｆ値に換算する。また、ＮＯｘ濃度の検出処理では、所定のセンサセル印加電圧を設定してその電圧印加時に計測されるセンサセル電流ＩｓのＡ／Ｄ値を取り込むと共に、所定のモニタセル印加電圧を設定してその電圧印加時に計測されるモニタセル電流ＩｍのＡ／Ｄ値を取り込む。そして、センサセル電流Ｉｓからモニタセル電流Ｉｍを減算し、その差分値であるＮＯｘ検出電流（Ｉｓ−Ｉｍ）をＮＯｘ濃度値に換算する。これらＡ／Ｆ値やＮＯｘ濃度値は、図示しないエンジンＥＣＵ等に適宜出力される。
【００４１】
Ａ／Ｆ及びＮＯｘ濃度の検出後、ステップＳ１４０では、前回の素子アドミタンス検出時から所定時間Ｔｂが経過したか否かを判別する。所定時間Ｔｂは、素子アドミタンスの検出周期に相当する時間であって、例えばエンジン運転状態に応じて１２８ｍｓｅｃ、２ｓｅｃ等の時間が選択的に設定される。そして、ステップＳ１４０がＹＥＳであることを条件に、ステップＳ１５０で素子アドミタンスを検出し、更に続くステップＳ１６０でヒータ通電制御を実施する。
【００４２】
ヒータ通電制御は、素子活性化のための制御に相当し、素子アドミタンスを所望の目標値に保持することができるものであれば、任意の制御手法が適用できる。その一例として、ガス濃度センサ１００の素子温が低く、素子アドミタンスが比較的小さい場合には、例えばデューティ比１００％の全通電制御によりヒータ通電を実施する。また、素子温が上昇すると、ＰＩＤ制御等、周知のフィードバック手法を用いて制御デューティ比を算出し、そのデューティ比によりヒータ通電を実施する。
【００４３】
次に、Ａ／Ｆ活性判定の処理（上記図４のステップＳ１１０の処理）とＮＯｘ活性判定の処理（上記図４のステップＳ１２０の処理）について図５，図６を用いて説明する。
【００４４】
図５において、ステップＳ１１１では、素子アドミタンスが所定の活性判定値Ｋに到達したか否かを判別する。活性判定値Ｋは、素子アドミタンスの目標値を基準として定められるものであり、例えば前記目標値の４０％とされる。但し、活性判定値Ｋを前記目標値の何％にするかは素子アドミタンスの上昇率に対するポンプセル電流Ｉｐの正常化の度合に応じて決定されると良く、素子アドミタンスの上昇に対してポンプセル電流の正常化が遅いセンサの場合は目標値の４０％以上、例えば８０％や１００％とすれば良いし、素子アドミタンスの上昇に対してポンプセル電流の正常化が早いセンサの場合は目標値の４０％以下、例えば２０％や１０％とすれば良い。
【００４５】
そして、ガス濃度センサ１００の活性途中において素子アドミタンスが活性判定値Ｋに到達していなければステップＳ１１２に進み、Ａ／Ｆ非活性（すなわち、ポンプセル非活性）である旨判定する。また、素子アドミタンスが活性判定値Ｋに到達していればステップＳ１１３に進み、Ａ／Ｆ活性（すなわち、ポンプセル活性完了）である旨判定する。
【００４６】
その後、ステップＳ１１４では、Ａ／Ｆ活性か非活性かを表すＡ／Ｆ活性判定フラグをエンジンＥＣＵ等に出力する。このとき、Ａ／Ｆ活性判定フラグがＡ／Ｆ活性（すなわち、ポンプセル活性完了）を表すものであれば、前記図４によるＡ／Ｆ出力が有効とされ、そうでなければ同Ａ／Ｆ出力が無効とされる。
【００４７】
また、図６において、ステップＳ１２１では、素子アドミタンスが所定の活性判定値Ｋに到達したか否かを判別する。すなわちこの処理は、Ａ／Ｆ活性が完了したかどうかを判定するものであり、「Ａ／Ｆ活性完了か？」とする判別と同意である。活性判定値Ｋの到達後（すなわちＡ／Ｆ活性完了後）であれば、ステップＳ１２２で、活性判定値Ｋの到達後所定時間Ｔｃが経過したか否かを判別する。ここで、所定時間Ｔｃは、センサセル１３０のＮＯｘ活性電極に吸着した酸素を全て放出するのに要する時間（例えばロジウム電極であればセンサ始動から２分）を根拠に定められる。この所定時間Ｔｃは、ポンプセル１１０での余剰酸素の排出能力をも考慮して定められるのが望ましく、ポンプセル電極の面積が大きく余剰酸素の排出能力が高ければ、ＮＯｘ出力の正常化が早まるため、所定時間Ｔｃを短い時間にすれば良い。
【００４８】
そして、所定時間Ｔｃの経過前であればステップＳ１２３に進み、ＮＯｘ非活性（すなわち、センサセル非活性）である旨判定する。また、所定時間Ｔｃの経過後であればステップＳ１２４に進み、ＮＯｘ活性（すなわち、センサセル活性完了）である旨判定する。
【００４９】
その後、ステップＳ１２５では、ＮＯｘ活性か非活性かを表すＮＯｘ活性判定フラグをエンジンＥＣＵ等に出力する。このとき、ＮＯｘ活性判定フラグがＮＯｘ活性（すなわち、センサセル活性完了）を表すものであれば、前記図４によるＮＯｘ濃度出力が有効とされ、そうでなければ同ＮＯｘ濃度出力が無効とされる。
【００５０】
図７は、センサ始動時における活性動作を示すタイムチャートである。
【００５１】
さて、ヒータ通電及びセンサ制御を開始すると、ガス濃度センサ１００の素子温が徐々に上昇していき、それに伴い図示の如く素子アドミタンスが上昇していく。ポンプセル１１０では、当初から第１チャンバ１４４内の余剰酸素が排出され、その酸素排出に伴って一時的に多くのポンプセル電流Ｉｐが流れる。そして、余剰酸素の排出が完了し第１チャンバ１４４内の残留酸素濃度が所定レベルに収束すると、ポンプセル電流Ｉｐが落ち着き、正常なＡ／Ｆ出力が得られるようになる。この場合、素子アドミタンスの挙動と合わせて見てみると、素子アドミタンスが目標値に収束する前にポンプセル電流Ｉｐが正常値を示すようになることが分かる。具体的には、素子アドミタンスが目標値の２０〜４０％程度に到達した時点で、ポンプセル電流Ｉｐが正常値を示すようになる。故に、活性判定値Ｋを目標値の４０％に定め、素子アドミタンスが当該活性判定値Ｋに到達した時点でＡ／Ｆ活性と判定する。すなわち、図７ではｔ１のタイミングでＡ／Ｆ活性と判定される。
【００５２】
一方、ＮＯｘ活性電極としてセンサセル１３０の電極材に用いられているロジウムにはセンサ停止中に酸素が吸着されており、ヒータ通電及びセンサ制御が開始されてからこの酸素が排出される。故に、この酸素排出が完了するまでの間はセンサセル電流Ｉｓが正常値を示さないため、ＮＯｘ濃度検出にはこの時間待つ必要がある。具体的には、ＮＯｘ濃度値が±５ｐｐｍ程度の精度に入るまでには凡そ２分程度の時間を要する。特に、ポンプセル電流ＩｐはｍＡオーダーであるのに対し、センサセル電流Ｉｓやモニタセル電流ＩｍはｎＡオーダーであるため、センサセル電流Ｉｓやモニタセル電流Ｉｍの計測には精密さが要求される。それ故、上記Ａ／Ｆ活性と判定した時点でＡ／Ｆ値は正確に検出できたとしても、ＮＯｘ濃度値を高精度に検出するためには、更に余剰酸素の排出を待たなければならない。
【００５３】
図７では、Ａ／Ｆ活性判定時（ｔ１のタイミング）から所定時間Ｔｃが経過したｔ２のタイミングでＮＯｘ活性完了が判定される。
【００５４】
ｔ１，ｔ２のタイミングでは、それぞれＡ／Ｆ活性、ＮＯｘ活性を表すフラグ情報がエンジンＥＣＵに送信され、そのフラグ送信以降、Ａ／Ｆ値やＮＯｘ濃度値がエンジンＥＣＵでの制御に使用される。これにより、Ａ／Ｆ非活性時やＮＯｘ非活性時の不確かな出力が誤って使用されることが防止できる。なお、Ａ／Ｆ活性、ＮＯｘ活性が完了するまではＡ／Ｆ値やＮＯｘ濃度値の出力を禁止し、Ａ／Ｆ活性、ＮＯｘ活性がそれぞれ完了すると、順次Ａ／Ｆ値やＮＯｘ濃度値の出力を開始する構成とすることも可能である。
【００５５】
以上詳述した本実施の形態によれば、ガス濃度センサ１００の活性途中においてポンプセル１１０の活性判定とセンサセル１３０の活性判定とが個別に行われるため、各セルの活性化を適正に判定し、それぞれ最適な時期にてＡ／Ｆ値（酸素濃度信号）やＮＯｘ濃度値（特定ガス濃度信号）の使用を開始することができるようになる。特にポンプセル１１０については、センサセル１３０の活性完了を待たずに活性完了が判定でき、正常なＡ／Ｆ値が早期に使用できるようになる。
【００５６】
なお、本発明は上記実施の形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。
【００５７】
上記実施の形態では、図５で説明したように、素子アドミタンスが活性判定値Ｋ（例えば目標値の４０％）に到達したらＡ／Ｆ活性完了と判定したが、ポンプセル電流が正常値を示すようになるアドミタンス値のバラツキが大きく活性判定値Ｋが４０％等の固定値で決められない場合には、素子アドミタンスが活性判定値Ｋに到達してから所定時間が経過した時点でＡ／Ｆ活性した旨判定するようにしても良い。
【００５８】
また、センサ始動後、ポンプセル電流（第１セル検出電流）が所定範囲に入ったことをＡ／Ｆ活性の判定条件に加えても良い。すなわち、ポンプセル電流が所定範囲（ポンプセル電流収束前の例えば４ｍＡ以下）に入ったかどうかを検出し、素子アドミタンスが活性判定値Ｋに到達し、且つポンプセル電流が所定範囲に入ったらＡ／Ｆ活性化した旨判定する。こうした構成によれば、Ａ／Ｆ活性判定の精度向上を図ることができる。
【００５９】
その他に、素子アドミタンス（素子抵抗値）によらず、ヒータ通電開始から所定時間（例えば数１０ｍｓ程度の時間）が経過した時点でＡ／Ｆ活性化した旨判定するようにしても良い。
【００６０】
上記実施の形態では、図６で説明したように、素子アドミタンスが活性判定値Ｋに到達し（すなわちＡ／Ｆ活性が完了し）、且つその後所定時間Ｔｃが経過したらＮＯｘ活性完了と判定したが、センサ始動後、センサセル電流（第２セル検出電流）やモニタセル電流（第３セル検出電流）が所定範囲に入ったことをＮＯｘ活性の判定条件に加えても良い。また、センサセル電流からモニタセル電流（オフセット誤差分）を差し引いたＮＯｘ検出電流（Ｉｓ−Ｉｍ）が所定範囲に入ったことをＮＯｘ活性の判定条件に加えても良い。この構成により、ＮＯｘ活性判定の精度向上を図ることができる。
【００６１】
かかる場合、センサセル電流やＮＯｘ検出電流についてはエンジン運転状態に応じて電流レベルが変動するため、電流値が所定範囲に入ったかどうかの判断基準は比較的大きめに定められるが、モニタセル電流については、ポンプセルによってチャンバ内の酸素濃度が一定に制御されているため、同判断基準を狭めることが可能となる（例えば０．３μＡ以下とする）。判断基準が狭められれば、より正確なＮＯｘ活性判定が実施できる。
【００６２】
ＮＯｘ活性判定に用いる所定時間Ｔｃを、その都度のセンサ状態に応じて可変に設定することも可能である。例えば、ＮＯｘ活性電極への酸素吸着量を推測し、酸素吸着量が少ないと推測される場合には、所定時間Ｔｃを最大値（例えば２分）から減じさせる。酸素吸着量は、Ａ／Ｆ活性化に要した時間やエンジン暖機状態（始動時水温）などにより推測されれば良い。本構成によれば、ＮＯｘ活性化（活性完了）をより一層最適な時期に判定することができる。
【００６３】
上記実施の形態では、センサセル電流からモニタセル電流（オフセット誤差分）を差し引いたＮＯｘ検出電流（Ｉｓ−Ｉｍ）によりＮＯｘ濃度値を算出したが、センサセル電流そのものから、すなわちモニタセル電流を使わずにＮＯｘ濃度値を算出する構成であっても良い。つまり、モニタセル電流はチャンバ内の残留酸素濃度に見合うものであり、ポンプセルにより残留酸素濃度が一定に保持されているとすると、センサセル電流に含まれるオフセット誤差分は一定とみなすことができる。故に、オフセット誤差一定として扱えばモニタセル電流の計測は不要となる。その意味では、ガス濃度センサとしてモニタセルは必須でなく、ポンプセル及びセンサセルのみからなるガス濃度センサにも適用できる。
【００６４】
上記実施の形態では、図２の構造のガス濃度センサ１００について適用例を説明したが、勿論他のガス濃度センサについて適用しても良く、適用可能なガス濃度センサの具体例を以下に説明する。
【００６５】
図８に示すガス濃度センサ４００では、符号４０１，４０２，４０３，４０４で示すシート状の部材が全て固体電解質（例えばジルコニア）で構成されており、これら固体電解質４０１〜４０４が図の上下に積層されている。固体電解質４０１，４０３の間には律速層４０５ａ，４０５ｂを隔てて第１チャンバ４０６及び第２チャンバ４０７が区画形成されている。固体電解質４０４により大気通路４０８が形成され、同固体電解質４０４にはヒータ４０９が埋設されている。
【００６６】
また、ガス濃度センサ４００には、第１ポンプセル４１０、第２ポンプセル４２０、センサセル４３０及びモニタセル４４０が設けられており、本センサ４００の特徴としてこれら各セルが固体電解質同士により結合されている。かかる構成において、第１ポンプセル４１０では、一対の電極４１１，４１２間に電圧Ｖｐ１が印加され、その時流れる第１ポンプセル電流Ｉｐ１が検出される。第２ポンプセル４２０では、電極４１３，４１４間に電圧Ｖｐ２が印加され、その時流れる第２ポンプセル電流Ｉｐ２が検出される。センサセル４３０では、電極４１４，４１５間に電圧Ｖｓが印加され、その時流れるセンサセル電流Ｉｓが検出される。更に、モニタセル４４０では、電極４１４，４１６間で起電力信号Ｖｍが検出される。
【００６７】
排ガスは律速層４０５ａを介して第１チャンバ４０６に導入される。排ガス中の大部分の酸素は、モニタセル４４０の起電力信号Ｖｍにより検出されると共に、この信号Ｖｍに応じて第１ポンプセル４１０の印加電圧Ｖｐ１が制御されることで電極４１１から外部へ排出される。残ったガスは律速層４０５ｂを通過して第２チャンバ４０７に導入され、当該ガス中の残留酸素は第２ポンプセル４２０にて電圧Ｖｐ２の印加により分解されて大気通路４０８に排出される。また、ガス中のＮＯｘは、センサセル４３０にて電圧Ｖｓの印加により分解されて大気通路４０８に排出され、その際流れたセンサセル電流Ｉｓに基づいてＮＯｘ濃度値が算出される。なお図８のガス濃度センサ４００では、第１ポンプセル４１０が「第１セル」に、センサセル４３０が「第２セル」に、第２ポンプセル４２０が「第３セル」にそれぞれ相当する。
【００６８】
上記構成のガス濃度センサ４００では、各セル４１０，４２０，４３０，４４０の何れかで素子抵抗値（素子アドミタンス又は素子インピーダンス）が検出されれば良い。
【００６９】
その他に、図９に示すガス濃度センサ４００は以下の如く構成される。すなわち、第１ポンプセル４１０では、一対の電極４１１，４１２間に電圧Ｖｐ１が印加され、その時流れる第１ポンプセル電流Ｉｐ１が検出される。第２ポンプセル４２０では、電極４１１，４１３間に電圧Ｖｐ２が印加され、その時流れる第２ポンプセル電流Ｉｐ２が検出される。センサセル４３０では、電極４１４，４１５間に電圧Ｖｓが印加され、その時流れるセンサセル電流Ｉｓが検出される。更に、第１モニタセル４５０では、電極４１２，４１４間で起電力信号Ｖｍ１が検出され、第２モニタセル４６０では、電極４１３，４１４間で起電力信号Ｖｍ２が検出される。
【００７０】
図９のガス濃度センサ４００において、排ガスが律速層４０５ａを介して第１チャンバ４０６に導入された後、排ガス中の大部分の酸素は、第１モニタセル４５０の起電力信号Ｖｍ１により検出されると共に、この信号Ｖｍ１に応じて第１ポンプセル４１０の印加電圧Ｖｐ１が制御されることで電極４１１から外部へ排出される。残ったガスは律速層４０５ｂを通過して第２チャンバ４０７に導入され、当該ガス中の残留酸素は、第２モニタセル４６０の起電力信号Ｖｍ２により検出されると共に、この信号Ｖｍ２に応じて第２ポンプセル４２０の印加電圧Ｖｐ２が制御されることで電極４１１から外部へ排出される。また、ガス中のＮＯｘは、センサセル４３０にて電圧Ｖｓの印加により分解されて大気通路４０８に排出され、その際流れたセンサセル電流Ｉｓに基づいてＮＯｘ濃度値が算出される。なお図９のガス濃度センサ４００では、第１ポンプセル４１０が「第１セル」に、センサセル４３０が「第２セル」に、第２ポンプセル４２０が「第３セル」にそれぞれ相当する。
【００７１】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定ガス成分の濃度としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能なガス濃度センサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。更に、自動車用以外のガス濃度検出装置に用いること、排ガス以外のガスを被検出ガスとすることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態におけるガス濃度検出装置の概要を示す構成図である。
【図２】ガス濃度センサの構成を示す断面図である。
【図３】モニタセル及びセンサセルの電極配置を示す平断面図である。
【図４】マイコンによるメインルーチンを示すフローチャートである。
【図５】Ａ／Ｆ活性判定の処理を示すフローチャートである。
【図６】ＮＯｘ活性判定の処理を示すフローチャートである。
【図７】センサ始動時における活性動作を示すタイムチャートである。
【図８】別のガス濃度センサを示す断面図である。
【図９】別のガス濃度センサを示す断面図である。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、
１１０…ポンプセル、
１１１，１１２…電極、
１２０…モニタセル、
１２１，１２２…電極、
１３０…センサセル、
１３１…電極、
１４１，１４２…固体電解質、
１４４…第１チャンバ、
１４６…第２チャンバ、
２００…制御回路、
４００…ガス濃度センサ、
４０１，４０３…固体電解質、
４０６…第１チャンバ、
４０７…第２チャンバ、
４１０…第１ポンプセル、
４１１〜４１６…電極、
４２０…第２ポンプセル、
４３０…センサセル、
４４０〜４６０…モニタセル。
【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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