(57)【要約】【課題】ガス濃度センサの作動開始時等においてチャンバ内の状態を早期にガス濃度検出に最適な状態とし、正確なガス濃度出力をいち早く得ること。【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。センサセル１３０の一対の電極のうち第２チャンバ１４６に対面する電極１３１はＮＯｘ活性電極となっている。センサ作動開始直後において、制御回路２００は、通常よりも高い電圧をセンサセル１３０の電極間に印加すると共に、センサセル１３０の電流検出抵抗を低抵抗のものに切り替える。これにより、センサセル１３０のＮＯｘ活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱されると共に、センサセル１３０が設置されている第２チャンバ１４６内の酸素が強制的に排出される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各々に固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有し、第１セルでガス室に導入した被検出ガス中の酸素量を所定の低濃度レベルに調整すると共に第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度を検出するものであり、前記第２セルの一対の電極のうちガス室に対面する電極を特定成分に対して活性な特定成分活性電極としたガス濃度センサに適用されるガス濃度検出装置において、
前記第２セルの特定成分活性電極に吸着した酸素を強制的に離脱させるための酸素離脱手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
前記酸素離脱手段は、所定期間内で通常よりも高い電圧を前記第２セルの電極間に印加する請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
請求項２記載のガス濃度検出装置において、通常時の印加電圧に対して０．２Ｖ以上高い電圧を前記第２セルの電極間に印加するガス濃度検出装置。
【請求項４】
前記酸素離脱手段は、ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間で酸素離脱の処理を実施する請求項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は、前記ガス室が、被検出ガスが導入される第１ガス室と前記第２セルが設けられる第２ガス室とよりなり且つ、前記第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するものであり、前記酸素離脱手段は、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件に酸素離脱の処理を実施する請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
請求項５記載のガス濃度検出装置において、前記酸素離脱手段は、前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件に酸素離脱の処理を終了するガス濃度検出装置。
【請求項７】
前記第２セルの特定成分活性電極における酸素吸着の状態を推測し、該推測した酸素吸着の状態に応じて、前記酸素離脱手段により酸素離脱を実施するための所定期間の長さを可変に設定する請求項１乃至４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
前記ガス室内に存在する酸素又は特定成分を強制的に早期排出させるためのガス成分排出手段を更に備えた請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
各々に固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有し、第１セルでガス室に導入した被検出ガス中の酸素量を所定の低濃度レベルに調整すると共に第２セルで第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度を検出するガス濃度センサに適用されるガス濃度検出装置において、
前記ガス室内に存在する酸素又は特定成分を強制的に早期排出させるためのガス成分排出手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項１０】
前記ガス成分排出手段は、ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間でガス成分排出の処理を実施する請求項８又は９記載のガス濃度検出装置。
【請求項１１】
前記ガス室が被検出ガスの流れに対して上流側の第１ガス室と下流側の第２ガス室とよりなり前記第２セルが第２ガス室側に設けられ、前記ガス成分排出手段は、第２ガス室内の余剰酸素又は余剰特定成分を排出させるものである請求項８乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
請求項１１記載のガス濃度検出装置において、前記ガス濃度センサは、前記第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するものであり、前記ガス成分排出手段は、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件にガス成分排出の処理を実施するガス濃度検出装置。
【請求項１３】
請求項１２記載のガス濃度検出装置において、前記ガス成分排出手段は、前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件にガス成分排出の処理を終了するガス濃度検出装置。
【請求項１４】
前記第２ガス室内の余剰酸素の量又は余剰特定成分の量を推測し、該推測した余剰酸素の量又は余剰特定成分の量に応じて、前記ガス成分排出手段によりガス成分排出を実施するための所定期間の長さを可変に設定する請求項１１乃至１３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１５】
前記ガス成分排出手段は、ガス室内が特定成分の高濃度雰囲気に移行した際、当該ガス室内に存在する特定成分を強制的に早期排出させる請求項８乃至１４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１６】
車両用エンジンの排出ガスを検出対象とするガス濃度検出装置であって、前記ガス成分排出手段は、エンジンがＮＯｘ排出増加傾向となる運転状態に移行した際、ガス室内に存在するＮＯｘを強制的に早期排出させる請求項８乃至１４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１７】
前記ガス成分排出手段は、前記第２セルに流れる電流を所定期間にて強制的に大きくする電流操作手段を備えてなる請求項８乃至１６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１８】
前記第２セルの電流検出のための電流検出抵抗を、ガス濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第２セル電流を強制的に大きくする請求項１７記載のガス濃度検出装置。
【請求項１９】
前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも２つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成とした請求項１８記載のガス濃度検出装置。
【請求項２０】
前記第２セルの印加電圧又は電流を交流的に変化させ、その時の電流及び電圧の変化量を電流検出抵抗により計測して素子抵抗値を検出する手段を有し、ガス濃度検出時と素子抵抗検出時とで電流検出抵抗の抵抗値を切り替え可能に構成したガス濃度検出装置において、
前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第２セル電流を強制的に大きくする請求項１７乃至１９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２１】
前記ガス濃度センサは、前記ガス室が、被検出ガスが導入される第１ガス室と前記第２セルが設けられる第２ガス室とよりなり且つ、前記第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するものであり、前記電流操作手段は、前記第２セルに代えて又はこれに加えて、第２の酸素ポンプセルに流れる電流を所定期間にて強制的に大きくし前記第２ガス室内に存在する酸素を強制的に排出させる請求項１７乃至２０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２２】
前記第２の酸素ポンプセルの電流検出のための電流検出抵抗を、酸素濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第２の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする請求項２１記載のガス濃度検出装置。
【請求項２３】
前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも２つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成とした請求項２２記載のガス濃度検出装置。
【請求項２４】
前記第２の酸素ポンプセルの印加電圧又は電流を交流的に変化させ、その時の電流及び電圧の変化量を電流検出抵抗により計測して素子抵抗値を検出する手段を有し、酸素濃度検出時と素子抵抗検出時とで電流検出抵抗の抵抗値を切り替え可能に構成したガス濃度検出装置において、
前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第２の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする請求項２１乃至２３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２５】
固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる検出セルを有し、前記一対の電極のうちガス室に対面する電極を特定成分に対して活性な特定成分活性電極としたガス濃度センサに適用され、前記検出セルの特定成分活性電極に吸着した酸素を強制的に離脱させるための酸素離脱手段を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２６】
前記酸素離脱手段は、所定時間内で通常よりも高い電圧を前記検出セルの電極間に印加する請求項２５記載のガス濃度検出装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被検出ガス中の特定成分のガス濃度を検出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、第１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第２チャンバ内のガスからＮＯｘ濃度（特定成分のガス濃度）が検出され、モニタセルでは、同第２チャンバ内の残留酸素濃度が検出される（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特許第２８８５３３６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記ガス濃度センサでは、当該センサを放置しておくと第１及び第２のチャンバ内に大気が導入され、比較的高濃度（約２０．９％）の酸素が充満する。すると、センサ作動開始直後には、第１及び第２のチャンバ内における高濃度の酸素が原因で正確なセンサ出力が得られなくなるという事態が生ずる。実機でのデータを解析すると、ガス濃度センサの作動開始直後には、センサセル電流が過剰に大きくなり、その後、所定のＮＯｘ濃度検出範囲の安定した電流値に収束するのに長い時間を要することが確認された。従って、センサセル電流、すなわちＮＯｘ濃度出力の正常化に要する時間が長引くことが問題となる。
【０００５】
一方、ＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流はｎＡ（ナノアンペア）オーダの電流値であり、この微弱電流を精度良く検出するには電流検出抵抗の抵抗値を数百ｋΩ以上にまで大きくする必要がある。すると、チャンバ内に充満する高濃度酸素の排出に長い時間を要し、やはり上述の如くセンサセル電流、すなわちＮＯｘ濃度出力の正常化に要する時間が長引くという問題を生ずる。
【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、ガス濃度センサの作動開始時等においてチャンバ（ガス室）内の状態を早期にガス濃度検出に最適な状態とし、正確なガス濃度出力をいち早く得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】
請求項１記載のガス濃度検出装置は、次の構成のガス濃度センサに適用される。すなわち、ガス濃度センサは、各々に固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる第１セル及び第２セルを有し、第１セルではガス室に導入した被検出ガス中の酸素量が所定の低濃度レベルに調整され、第２セルでは第１セルでの酸素量調整後のガスから特定成分のガス濃度が検出される。また、前記第２セルの一対の電極のうちガス室に対面する電極は特定成分に対して活性な特定成分活性電極となっている。そして、請求項１に記載の発明ではその特徴として、酸素離脱手段により、前記第２セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱される。なお、特定成分活性電極とは、ＮＯｘ等の特定成分を分解・還元し得る能力を有する電極を言う。
【０００８】
要するに、上記構成のガス濃度センサでは、センサ放置状態等において特定成分活性電極に酸素が吸着すると、第２セルの出力が過剰に大きくなり、センサ作動開始直後において特定成分活性電極の吸着酸素が排除されるまで正確なガス濃度検出ができない。例えばＮＯｘセンサにあってＮＯｘ活性電極としてロジウムを用いた場合には当該電極に多くの酸素が吸着し、その酸素排除に長い時間を要することから上記問題が顕著になる。これに対し本発明では、第２セルの特定成分活性電極に吸着した酸素を強制的に離脱する構成としたため、吸着酸素が早期に排除できる。それ故、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【０００９】
前記酸素離脱手段として具体的には、請求項２に記載したように、所定期間内で通常よりも高い電圧を前記第２セルの電極間に印加すると良い。この場合、第２セルへの印加電圧を高くすることにより、第２セルの特定成分活性電極に多くのエネルギが付与され、当該活性電極において吸着酸素の分解が促進される。故に、吸着酸素が早期に排除できる。
【００１０】
一般にジルコニア等よりなる固体電解質では０〜０．９Ｖの範囲で電圧が印加され、通常時は０．４５Ｖ程度の電圧が印加される。かかる場合において、請求項３に記載したように、通常時の印加電圧に対して０．２Ｖ以上高い電圧を前記第２セルの電極間に印加すると良い。つまりこれは、第２セルに０．６５Ｖ以上の電圧を印加することに相当し、実際には０．６５Ｖ〜０．９Ｖの範囲で、より望ましくは０．７Ｖ前後で当該印加電圧を設定すると良い。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、前記酸素離脱手段により、ガス濃度センサの作動開始直後において酸素離脱の処理が実施される。つまり、第２セルの特定成分活性電極における酸素吸着の問題は、ガス濃度センサを放置状態から作動開始した直後に起こるものであり、かかる作動開始直後に酸素離脱の処理を実施するのが望ましい。
【００１２】
ガス濃度センサとして、ガス室が、被検出ガスが導入される第１ガス室と前記第２セルが設けられる第２ガス室とよりなり且つ、第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するものがある。このガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置では、請求項５に記載したように、前記酸素離脱手段により、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件に酸素離脱の処理が実施されると良い。なお、第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルは、それぞれにポンプセル及びモニタセルとも称される。
【００１３】
つまり、上記構成のガス濃度センサおいて、センサ放置後であれば作動開始直後には、第２ガス室内に充満する比較的高濃度の酸素により第２の酸素ポンプセル（モニタセル）の出力も過剰に大きくなるが、ガス濃度センサの作動停止直後の再作動時であれば、こうした事態は生じない。故に、第２の酸素ポンプセルの出力レベルに応じて酸素離脱の処理を実施すれば、当該酸素離脱の処理を必要時にのみ実施することができるようになる。
【００１４】
上記請求項５の発明では請求項６に記載したように、前記酸素離脱手段は、前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件に酸素離脱の処理を終了すると良い。つまり、第２セルに比べて第２の酸素ポンプセルは出力の収束が早く、その出力レベルによれば第２ガス室内の余剰酸素の排出が進んだこと、ひいては第２セル電極の酸素離脱が進んだことが判断できる。故に、適正な期間での酸素離脱の処理が実施できる。
【００１５】
また、請求項７に記載の発明では、前記第２セルの特定成分活性電極における酸素吸着の状態を推測し、該推測した酸素吸着の状態に応じて、前記酸素離脱手段により酸素離脱を実施するための所定期間の長さを可変に設定する。この場合、実際の酸素吸着の程度に合わせて酸素離脱の処理が実施でき、当該処理の適正化が可能となる。例えば、ガス濃度センサの放置時間に応じて酸素吸着の状態を推測することとし、放置時間が長いほど、酸素離脱を実施する所定時間を長くする。
【００１６】
また、請求項８，９に記載の発明では、ガス成分排出手段により、前記ガス室内に存在する酸素又は特定成分が強制的に早期排出される。センサ放置状態等においてガス室内に大気が導入されると、当該ガス室内が酸素過多の状態となり、センサ作動開始直後において特定成分のガス濃度検出に支障が出る。また、ガス室内で特定成分過多となる場合にも、当該特定成分のガス濃度検出に支障が出る。これに対し本発明によれば、ガス室内で余剰となる酸素や特定成分が早期に排出できることから、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。特に、上記請求項１乃至７の発明とガス成分排出手段とを組み合わせることで相乗的な効果が期待でき、より一層望ましいガス濃度検出装置が実現できる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明では、ガス濃度センサの作動開始直後における所定期間でガス成分排出の処理が実施される。つまり、ガス室（特に後述する第２ガス室）内での酸素過多の問題は、ガス濃度センサを放置状態から作動開始した直後に起こるものであり、かかる作動開始直後に酸素排出の処理を実施するのが望ましい。
【００１８】
ガス室が第１ガス室及び第２ガス室に区画され、第２セルが第１ガス室よりも下流の第２ガス室側に設けられるセンサ構成にあっては、第２ガス室には第１セルによる酸素ポンプ作用が及ばない。故に、請求項１１に記載したように、前記ガス成分排出手段により、第２ガス室内の余剰酸素又は余剰特定成分が排出される構成とすると良い。
【００１９】
前記第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するガス濃度センサでは、請求項１２に記載したように、ガス濃度センサの作動開始直後において前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えることを条件にガス成分排出の処理が実施されると良い。センサ放置後であれば作動開始直後には、第２ガス室内に充満する比較的高濃度の酸素により第２の酸素ポンプセル（モニタセル）の出力も過剰に大きくなるが、ガス濃度センサの作動停止直後の再作動時であれば、こうした影響は小さくなる。故に、第２の酸素ポンプセルの出力レベルに応じてガス成分排出の処理を実施すれば、当該処理を必要時にのみ実施することができるようになる。
【００２０】
上記請求項１２の発明では請求項１３に記載したように、前記ガス成分排出手段は、前記第２の酸素ポンプセルの出力が所定値を超えた後、同所定値以下に収束したことを条件にガス成分排出の処理を終了すると良い。つまり、第２セルに比べて第２の酸素ポンプセルは出力の収束が早く、その出力レベルによれば第２ガス室内の余剰酸素の排出が進んだことが判断できる。故に、適正な期間でのガス濃度排出の処理が実施できる。
【００２１】
また、請求項１４に記載の発明では、前記第２ガス室内の余剰酸素の量又は余剰特定成分の量を推測し、該推測した余剰酸素の量又は余剰特定成分の量に応じて、前記ガス成分排出手段によりガス成分排出を実施するための所定期間の長さを可変に設定する。この場合、実際の酸素吸着の程度に合わせてガス成分排出の処理が実施でき、当該処理の適正化が可能となる。例えば、ガス濃度センサの放置時間に応じて余剰酸素の量又は余剰特定成分の量を推測することとし、放置時間が長いほど、ガス濃度排出を実施する所定時間を長くする。
【００２２】
また、請求項１５に記載の発明では、ガス室内が特定成分の高濃度雰囲気に移行した際において、当該ガス室内に存在する特定成分が強制的に早期排出される。仮に被検出ガス中における特定成分のガス濃度が一時的に増加すると、それに対応してガス室内が特定成分過多の状態となるが、当該特定成分の排出が早期に実施できる。
【００２３】
車両用エンジンでは、例えば高負荷運転時や高回転運転時等においてＮＯｘの排出量が増える傾向にあり、ＮＯｘ過多の状態となればその余剰分を排出できるまで正確なＮＯｘ濃度出力が得られなくなる。そこで、請求項１６に記載したように、エンジンがＮＯｘ排出増加傾向となる運転状態に移行した際、ガス室内に存在するＮＯｘが強制的に早期排出されると良い。
【００２４】
また、請求項１７に記載の発明では、前記ガス成分排出手段は電流操作手段を備え、該電流操作手段により、前記第２セルに流れる電流が所定期間にて強制的に増大される。つまり、第２セルでは、特定成分を還元又は分解しその際発生する酸素イオン量に応じて電流を流すが、その電流は微弱電流であり、検出精度向上のため電流検出抵抗は高抵抗のものが使用される。故に、第２セルによる酸素等の排出能力は元々低レベルに制限されるが、本発明により、酸素等の排出能力が高められる（後述する第２の酸素ポンプセルを用いる場合も同様）。
【００２５】
より具体的な構成として、請求項１８に記載したように、前記第２セルの電流検出のための電流検出抵抗を、ガス濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第２セル電流を強制的に大きくすると良い。
【００２６】
かかる場合、請求項１９に記載したように、前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも２つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成であると良い。
【００２７】
また、素子抵抗値（例えば素子インピーダンス）を検出する構成を有するガス濃度検出装置では、第２セルの印加電圧又は電流を交流的に変化させ、その時の電流及び電圧の変化量を電流検出抵抗により計測して素子抵抗値が検出される。このとき、ガス濃度検出時とガス濃度センサの素子抵抗検出時とでは第２セルに流れる電流レベルが大小相違するため、電流検出抵抗の抵抗値を切り替えることが考えられる。かかる構成において、請求項２０に記載したように、前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第２セル電流を強制的に大きくすると良い。本構成では、新たに構成を付加せずとも上記の電流操作が実現でき、コスト面でのメリットも得られるようになる。
【００２８】
ガス濃度センサとして、ガス室が、被検出ガスが導入される第１ガス室と前記第２セルが設けられる第２ガス室とよりなり且つ、第１セルが、第１ガス室側及び第２ガス室側に各々分離して設けられた第１の酸素ポンプセル及び第２の酸素ポンプセルを有するものを用いる場合、請求項２１に記載したように、前記電流操作手段は、前記第２セルに代えて又はこれに加えて、第２の酸素ポンプセル（モニタセル）に流れる電流を所定期間にて強制的に大きくし前記第２ガス室内に存在する酸素を強制的に排出させると良い。本構成では、第２の酸素ポンプセルによる酸素排出能力が高められる。故に、既述の発明と同様に、所望の効果が達成できる。
【００２９】
上記請求項２１の発明でも、大小異なる抵抗値を切り替える構成や、素子抵抗検出用の抵抗を流用する構成等が採用できる（上記請求項１８〜２０と同様）。すなわち、
・請求項２２に記載の発明では、第２の酸素ポンプセルの電流検出のための電流検出抵抗を、酸素濃度検出に適した抵抗値とそれよりも小さな抵抗値とで切り替え可能とし、前記電流操作手段は、電流検出抵抗の抵抗値を小さいものに切り替えることにより第２の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする。
・請求項２３に記載の発明では、前記電流検出抵抗は並列関係にある少なくとも２つの抵抗を有し、これら抵抗を選択的に接続又は遮断する構成とした。
・請求項２４に記載の発明では、前記電流操作手段は、素子抵抗検出時に適用する抵抗を用いて第２の酸素ポンプセル電流を強制的に大きくする。
【００３０】
一方、請求項２５に記載の発明では、ガス濃度センサは、固体電解質と該固体電解質に配置された一対の電極とよりなる検出セルを有し、前記一対の電極のうちガス室に対面する電極を特定成分に対して活性な特定成分活性電極としている。そして、酸素離脱手段により、前記検出セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱される。本発明によれば、検出セルの特定成分活性電極に吸着した酸素が早期に排除できるため、センサ作動開始時等においてガス室内の状態が早期にガス濃度検出に最適な状態となり、正確なガス濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【００３１】
請求項２６に記載の発明では、前記酸素離脱手段は、所定時間内で通常よりも高い電圧を前記検出セルの電極間に印加する。従って、検出セルの特定成分活性電極に多くのエネルギが付与され、当該活性電極において吸着酸素の分解が促進される。故に、吸着酸素が早期に排除できる。
【００３２】
【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成分のガス濃度としてのＮＯｘ濃度を検出する。
【００３３】
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、ポンプセル、モニタセル及びセンサセルからなる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、ポンプセル及びモニタセルが「第１セル」に相当し、これら各セルにより、チャンバ（ガス室）に導入した排ガス中の酸素量が所定の低濃度レベルに調整される。また、センサセルが「第２セル」に相当し、同センサセルにより、酸素量調整後のガスからＮＯｘ濃度が検出される。モニタセルは、ポンプセル同様、ガス中の酸素ポンプの機能を具備しており、ポンプセルが「第１の酸素ポンプセル」に相当し、モニタセルが「第２の酸素ポンプセル」に相当する。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。
【００３４】
ガス濃度センサ１００において、ジルコニア等の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。第１チャンバ１４４が「第１ガス室」に相当し、第２チャンバ１４６が「第２ガス室」に相当する。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００３５】
図の下側の固体電解質１４２には、第１チャンバ１４４に対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。
【００３６】
また、図の上側の固体電解質１４１には、第２チャンバ１４６に対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。
【００３７】
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。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ガスに活性なロジウムＲｈ、白金Ｐｔ等の貴金属からなり、この電極１３１が「特定成分活性電極」に相当する。
【００３８】
図３（ａ）は、モニタセル１２０及びセンサセル１３０の電極配置を第２チャンバ１４６側から見た平断面図であり、図３（ｂ）は、これら各セルの電極配置を大気通路１４８側から見た平断面図である。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１３０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。
【００３９】
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。
【００４０】
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側のポンプセル電極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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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、低濃度レベル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。
【００４４】
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。
【００４５】
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の印加電圧指令値を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に流れる電流の計測結果を取り込むべく、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で計測された電流値に基づいて排ガス中の酸素濃度（Ａ／Ｆ）やＮＯｘ濃度を演算し、その演算結果をＤ／Ａ変換器（Ｄ／Ａ４，Ｄ／Ａ３）や通信回路を介して外部のエンジンＥＣＵ等に出力する。
【００４６】
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。
【００４７】
なお、エンジン運転状態の変化等によりポンプセル電流Ｉｐが変化する際、その変化量が大きいと電流の取込値にテーリング等が発生し、電流計測の精度が落ちてしまう。故に、そのテーリング防止のために毎回の電流変化幅を制限し、更になまし処理を施してポンプセル電流の計測値を確定することとしている。
【００４８】
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。
【００４９】
また、共通電極１２２とは異なる方のモニタセル電極１２１には、オペアンプ２０９及び電流検出抵抗２１０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２１０により検出される。つまり、電流検出抵抗２１０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。
【００５０】
ヒータ駆動系の構成は図示を省略するが、制御回路２００内のＣＰＵは、ヒータ駆動用のＭＯＳＦＥＴ等に対してデューティ制御信号を出力し、電源（例えばバッテリ電源）からヒータ１５１への供給電力をＰＷＭ制御する。このとき、モニタセル１２０及びセンサセル１３０での検出電流はヒータ電流に比べて微弱な電流であるため、ヒータ通電に伴い発生するノイズが上記各セル１２０，１３０による検出電流に悪影響を及ぼすおそれがある。そのノイズ対策として本実施の形態では、センサセル１３０及びモニタセル１２０用の各電流検出抵抗２０８，２１０に並列にそれぞれコンデンサ２１１，２１２を設けてフィルタを構成している。これにより、ヒータ通電に伴うノイズの問題が効果的に抑制できることとなる。また、上述した通りセンサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差分値（Ｉｓ−Ｉｍ）に基づいてＮＯｘ濃度出力を得るようにしている。そのため、センサセル１３０及びモニタセル１２０において電流検出抵抗２０８，２１０とフィルタ用コンデンサ２１１，２１２の定数を合わせて時定数などを一致させると良い。
【００５１】
なお、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差分値（Ｉｓ−Ｉｍ）を求める場合において、センサセル電流信号とモニタセル電流信号とを差動増幅回路に入力し、該差動増幅回路の出力（すなわち、Ｉｓ−Ｉｍ）を制御回路２００にてＡ／Ｄ変換する構成とするのが望ましい。これにより、差動増幅回路のゲインを大きくすることができ、ＮＯｘ濃度信号（Ｉｓ−Ｉｍ）のダイナミックレンジが広がる。故に、ＮＯｘ濃度の検出精度が向上する。
【００５２】
また本実施の形態では、いわゆる掃引法を用い、センサセル１３０を対象に「素子抵抗値」としての素子インピーダンスが検出される。つまり、センサセル１３０のインピーダンス検出時において、制御回路２００により、センサセル印加電圧（指令電圧Ｖｇ）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）切り替えられる。この交流的に変化する電圧は、図示しないローパスフィルタ（ＬＰＦ）により正弦波的になまされつつセンサセル１３０に印加される。交流電圧の周波数は１０ｋＨｚ以上が望ましく、ＬＰＦ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センサセル１３０の素子インピーダンスが算出される（インピーダンス＝電圧変化量／電流変化量）。センサセル１３０の印加電圧を交流的に変化させる構成の他、センサセル１３０に流れる電流を交流的に変化させる構成であっても良い。
【００５３】
ガス濃度センサ１００のヒータ制御に際し、素子インピーダンスを所定の目標値に制御する素子抵抗フィードバック制御が実施される。これにより、各セル１１０〜１３０が所望の活性状態に保持されるようになっている。
【００５４】
なお、素子抵抗値として、素子インピーダンスに代えてその逆数である素子アドミタンスを検出する構成であっても良い。また、センサセル１３０のインピーダンス（又はアドミタンス）を検出することに代えて、モニタセル１２０のインピーダンス（又はアドミタンス）を検出する構成や、ポンプセル１１０のインピーダンス（又はアドミタンス）を検出する構成としても良い。
【００５５】
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、素子インピーダンス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。
【００５６】
また、センサセル１３０ではＮＯｘにより流れる電流はμＡオーダであり、検出したいＮＯｘ濃度範囲ではｎＡ（ナノアンペア）オーダという非常に微弱な電流値となる。そのため、検出精度を確保しようとすると、電流検出抵抗２０８の抵抗値はＭΩオーダとなる。これに対し、インピーダンス検出のための掃引時にはｍＡオーダの電流が流れる。このオーダ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、センサセル１３０によるＮＯｘ濃度検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り替えることとしている。具体的には、電流検出抵抗２０８に並列に、別の電流検出抵抗２１５とスイッチ回路２１６（例えば、半導体スイッチ）とを設けている。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２１６をＯＮ／ＯＦＦさせるよう構成している。この場合、通常のガス濃度検出時には、スイッチ回路２１６がＯＦＦ（開放）され、電流検出抵抗２０８によるＭΩオーダの抵抗でセンサセル電流Ｉｓが検出される。これに対し、インピーダンス検出時には、スイッチ回路２１６がＯＮ（閉鎖）され、電流検出抵抗２０８及び２１５による数百Ω程度の抵抗でセンサセル電流Ｉｓが検出される。
【００５７】
ところで、上記構成のガス濃度センサ１００では、センサ作動開始前（エンジン始動前）の放置状態においてセンサセル１３０のＮＯｘ活性電極に多くの酸素が吸着されることや、センサ放置状態では第１及び第２チャンバ１４４，１４６内に大気レベルの比較的高濃度（約２０．９％）の酸素が充満されることから、センサ作動開始後において正確なＮＯｘ濃度出力が得られるまでに長い時間を要するという事態が生ずる。特に、ＮＯｘ活性電極にロジウムを添加した本構成では、ロジウムの酸素吸着（酸素ストレージ）により上記不都合を招く。そこで、本実施の形態のガス濃度検出装置では、上記不都合を解消すべく、次の対策を講ずることとしている。
（１）センサ作動開始直後において、センサセル電極に通常時よりも高い電圧を印加し、センサセル電極（ＮＯｘ活性電極）の吸着酸素を強制的に離脱させる（酸素離脱手段）。
（２）センサ作動開始直後において、センサセル１３０用の電流検出抵抗を低抵抗に切り替えてセンサセル電流を大きくし、第２チャンバ１４６内の酸素を強制的に早期排出させる（ガス成分排出手段、電流操作手段）。
【００５８】
ここで、上記（２）についてその概要を説明する。センサセル１３０に接続された電流検出抵抗２０８はＭΩオーダの抵抗値を有し、仮に抵抗値が１ＭΩであればセンサセル１３０に流せる電流は最大６μＡ程度となる。モニタセル１２０も同様であることから、第２チャンバ側のセンサセル１３０及びモニタセル１２０で流せる電流、すなわちセンサセル電流とモニタセル電流との合計は最大１２μＡ程度となる。これが第２チャンバ側で流せる最大電流になり、同第２チャンバ側での酸素排出能力にも相当する。この場合、センサセル１３０及びモニタセル１２０で流せる電流が上記の如く制限されるため、第２チャンバ１４６での余剰酸素排出が遅れ、ひいてはＮＯｘ濃度出力の正常化が遅れるという事態を招く。エンジンの通常運転状態で第１チャンバ１４４内に導入されるガス中の酸素はポンプセル１１０にて排出されるが、エンジン始動前に第１及び第２のチャンバ１４４，１４６に満たされた大気による酸素はポンプセル１１０による排出に加え、センサセル１３０又はモニタセル１２０にて早期に排出してやる必要がある。
【００５９】
上述した図１の構成では、電流検出抵抗２０８に並列に別の電流検出抵抗２１５とスイッチ回路２１６とが接続され、スイッチ回路２１６のＯＮ／ＯＦＦによりセンサセル電流検出のための抵抗値が大小切り替えられるようになっている。従って、電流検出抵抗２０８，２１５の抵抗値をそれぞれ１ＭΩ、５００Ωとした場合、スイッチ回路２１６をＯＦＦすることで、センサセル１３０を流れる電流が電流検出抵抗２０８の抵抗値１ＭΩにより検出されるのに対し、スイッチ回路２１６をＯＮすることで、同じくセンサセル１３０を流れる電流が電流検出抵抗２０８及び２１５の合成抵抗値４９９．８Ωにより検出される。故に、センサセル１３０に流せる電流レベルが操作できるようになり（本実施の形態では、最大２０ｍＡ程度の電流）、第２チャンバ１４６内における余剰酸素の早期排出を強制的に行わせることができるようになる。
【００６０】
素子インピーダンスの値は数十Ω程度であるため、インピーダンス検出のための電流検出抵抗は数百Ωオーダの抵抗値となる。この場合、インピーダンス検出のための電流検出抵抗の抵抗値はＮＯｘ濃度検出のための抵抗値より格段に小さいため、このインピーダンス検出用の抵抗を利用することができる。これにより、新たな構成を付加せずともセンサセル電流の上記操作を行うことができ、コスト面でのメリットも得られるようになる。
【００６１】
以下、上記対策の具体的な実施態様を説明する。図４は、センサセル印加電圧の制御手順を示すフローチャートであり、この処理は制御回路２００内のＣＰＵにより所定時間周期で実施される。
【００６２】
図４において、先ずステップＳ１０１では、モニタセル電流Ｉｍが所定の判定値Ｋａよりも大きいか否かを判別する。判定値Ｋａは、第２チャンバ１４６内の酸素が高濃度になっていることを判定するための判定レベルであり、例えばＫａ＝５００ｎＡとする。この場合、第２チャンバ１４６内の酸素が高濃度となり、モニタセル電流Ｉｍが過剰に大きくなると、センサセル電極（ＮＯｘ活性電極）に多くの酸素が吸着されていると推測でき、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替え（センサセル電流操作）の処理を要する旨判断される。
【００６３】
また、ステップＳ１０２では、ガス濃度センサ１００の作動開始後、所定時間が経過したか否かを判別する。この所定時間は、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施するための実施期間に相当し、固定の時間としても良いし、可変設定される時間としても良い。所定時間を固定とする場合、例えば５０秒とする。また、所定時間を可変とする場合、センサセル電極の酸素吸着状態に応じて当該所定時間を設定する。例えば、素子インピーダンスの値、ポンプセル電流（すなわち第１チャンバ１４４内の酸素濃度）、センサ放置時間（すなわちエンジン停止時間）などに応じてセンサセル電極の酸素吸着状態を推測し、その推測結果に応じて所定時間を設定することが考えられる。
【００６４】
そして、Ｉｍ≦Ｋａであるか、又は所定時間経過後であれば、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施することなく、通常の印加電圧制御を実施する。すなわち、ステップＳ１０３ではセンサセル印加電圧を例えば０．４５Ｖとして設定し、続くステップＳ１０４ではスイッチ回路２１６をＯＦＦする。その後、ステップＳ１０７では、上記設定したセンサセル印加電圧を出力する。これにより、センサセル印加電圧＝０．４５Ｖ、電流検出抵抗＝１ＭΩといった条件でセンサセル１３０の初期制御が実施される。
【００６５】
これに対し、Ｉｍ＞Ｋａであり且つ所定時間の経過前であれば、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施する。すなわち、ステップＳ１０５ではセンサセル印加電圧を通常時よりも高い０．７Ｖとし、続くステップＳ１０６ではスイッチ回路２１６をＯＮする。「０．７Ｖ」の印加電圧は一例であり、通常時の印加電圧に対して０．２Ｖ以上高い電圧、実際には０．６５Ｖ〜０．９Ｖの範囲内の電圧でセンサセル印加電圧が設定されると良い。その後、ステップＳ１０７では、上記設定したセンサセル印加電圧を出力する。これにより、センサセル印加電圧＝０．７Ｖ、電流検出抵抗＝約５００Ωといった条件でセンサセル１３０の初期制御（ここでは、センサセル印加電圧の高電圧化及び抵抗切り替えの処理）が実施される。
【００６６】
なお、上記ステップＳ１０１におけるモニタセル電流Ｉｍの条件は、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理の開始条件としてのみ採用しても良く、或いは、当該モニタセル電流条件をなくすことも可能である。またこの他に、上記ステップＳ１０２における時間条件をなくすことも可能である。
【００６７】
次に、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理による具体的な作用効果を説明する。但し便宜上、先ずはじめにセンサセル印加電圧の高電圧化についてその作用効果を図５を従い説明する。図５は、高電圧化処理に際してのセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ等の推移を示すタイムチャートである。なお、図中の一点鎖線は、センサ作動開始当初からセンサセル印加電圧固定（Ｖｓ＝０．４５Ｖ固定）とした場合の電流推移を示す。以下の説明では、センサ作動開始時には、センサセル電極に多くの酸素が吸着され、且つ第２チャンバ１４６内がほぼ大気状態になっていることとしている。
【００６８】
センサ作動開始に伴いセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍは共に急上昇し、計測可能な上限値（例えば２５００ｎＡ）に達する。モニタセル電流Ｉｍは判定値Ｋａを超える。また、素子アドミタンスＭＡｄｍ（素子インピーダンスの逆数）は、活性化の進行に伴い図示の如く変化する。このとき、センサセル印加電圧Ｖｓとして通常時よりも高電圧の０．７Ｖが設定され、センサセル１３０に印加される。その後、第２チャンバ１４６内の酸素の低濃度化に伴いモニタセル電流Ｉｍがセンサセル電流Ｉｓよりも先に低下し始め、該モニタセル電流Ｉｍが判定値Ｋａ以下になると、センサセル印加電圧Ｖｓが通常時の０．４５Ｖに変更される（図のタイミングｔ１）。但し、センサセル印加電圧の高電圧化の開始条件とするモニタセル電流Ｉｍの判定値と終了条件とする同判定値とを異なるレベルに設定することも可能である。
【００６９】
センサセル電流Ｉｓはモニタセル電流Ｉｍよりも遅れて低下し、図の実線で示すように推移する。このとき、センサセル印加電圧固定とした場合の電流推移（図の一点鎖線）と比較すると、本実施の形態ではセンサセル電流Ｉｓが早期に低下することが分かる。実線及び一点鎖線で示すセンサセル電流Ｉｓの推移の違いは、センサ作動開始当初においてセンサセル印加電圧Ｖｓを高くしたことによるものであり、センサセル印加電圧の高電圧化によりセンサセル電極（ＮＯｘ活性電極）に高エネルギが付与される。従って、当該センサセル電極において吸着酸素の分解が促進され、結果としてセンサセル電流が早期に低下する。
【００７０】
実際には、所定レベル（例えば１０ｐｐｍ）のＮＯｘ濃度出力が得られるまでの時間を比較すると、センサセル印加電圧の高電圧化を行わない場合よりも約１００秒程度の時間短縮が可能となる。つまり、ＮＯｘ濃度出力の正常化が早まり、これはセンサセル１３０としての活性化が早まることであるとも言える。
【００７１】
また、図６は、センサセル印加電圧の高電圧化に加え、抵抗切り替え（チャンバ内酸素の強制排出）の処理を実施した際のセンサセル電流Ｉｓ、モニタセル電流Ｉｍ等の推移を示すタイムチャートである。なお、図中の一点鎖線は、電流検出抵抗の切り替えを行わない場合の電流推移を示す。
【００７２】
センサ作動開始直後、スイッチ回路２１６がＯＮされると、電流検出抵抗２０８，２１５の合成抵抗を通じてセンサセル１３０に電流が流れる。このとき、前出の事例で言えば合成抵抗が約５００Ωとなり、センサセル電流Ｉｓは最大で０．０４ｍＡ（４０ｎＡ）程度流れる。故に、センサセル１３０による酸素排出能力が高められ、第２チャンバ１４６内の酸素排出が促進される。その後、モニタセル電流Ｉｍが判定値Ｋａ以下になると、スイッチ回路２１６がＯＦＦされる（図のタイミングｔ１１）。以降、電流検出抵抗２０８の抵抗１ＭΩにより通常通りセンサセル電流Ｉｓの計測（すなわち、ＮＯｘ濃度検出）が実施される。
【００７３】
センサセル電流Ｉｓはモニタセル電流Ｉｍよりも遅れて低下し、図の実線で示すように推移する。このとき、電流検出抵抗の切り替えを行わない場合の電流推移（図の一点鎖線）と比較すると、本実施の形態ではセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセルＩｍが早期に低下することが分かる。従って、第２チャンバ１４６の余剰酸素の早期排出により、センサセル電流Ｉｓが早期に収束し、ひいてはＮＯｘ濃度出力がいち早く早期正できるようになる。
【００７４】
実際には、所定レベル（例えば１０ｐｐｍ）のＮＯｘ濃度出力が得られるまでの時間を比較すると、抵抗切り替えを行わない場合よりも約１００秒程度の時間短縮が可能となる。
【００７５】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下の優れた効果が得られる。
【００７６】
センサ作動開始直後において、センサセル１３０のＮＯｘ活性電極に吸着した酸素が強制的に離脱されること、及び、第２チャンバ１４６内に存在する余剰酸素が強制的に早期排出されることにより、センサ作動開始時において第２チャンバ１４６内の状態が早期にＮＯｘ濃度検出に最適な状態となり、正確なＮＯｘ濃度出力をいち早く得ることができるようになる。
【００７７】
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。
【００７８】
上記実施の形態では、（１）センサセル印加電圧を高電圧化してセンサセル電極の吸着酸素を強制離脱させること、及び、（２）電流検出抵抗を大小切り替えてチャンバ内酸素を強制排出させることを共に実施する構成であったが、その実施態様を変更する。つまり、上記（１）のみを実施する構成、又は上記（２）のみを実施する構成としたり、上記（１），（２）をその都度のセンサ状態に応じて選択的に実施する構成としたりしても良い。
【００７９】
上記実施の形態では、第２チャンバ１４６内における酸素の強制排出を実施するにあたりセンサセル１３０側の電流検出抵抗を切り替える構成としたが、これに代えてモニタセル１２０側の電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。又は、センサセル１３０及びモニタセル１２０の両方で電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。モニタセル１２０側で抵抗切り替えを行う場合にも、上記同様、素子インピーダンス検出用の抵抗を流用すると良い。本構成であっても、モニタセル１２０による酸素排出能力が高められ、第２チャンバ１４６内に存在する酸素が強制的に排出される。故に、既述の実施の形態と同様に、所望の効果が達成できる。
【００８０】
上記図６のタイムチャートからも分かるように、センサセル１３０（又はモニタセル１２０）の電流検出抵抗を大小切り替えると、通常は計測できない電流レベルまで電流計測が可能となる。本実施の形態の場合、センサセル１３０（又はモニタセル１２０）に最大２０ｍＡ程度まで電流を流すことが可能となり、ｍＡオーダまでの電流計測が可能となる。このとき、センサ作動開始直後にセンサセル電流（又はモニタセル電流）がどの程度の電流レベルに達するかを計測することが可能となり、その電流レベルに応じてセンサセル電極への吸着酸素量を推測したり、第２チャンバ内の余剰酸素量を推測したりすることが可能となる。従って、センサセル印加電圧の高電圧化や抵抗切り替えの処理を実施するための所定時間を、その電流レベルに応じて設定するといった構成を採用することも可能となる。
【００８１】
上記実施の形態では、センサセル印加電圧の高電圧化を行う際、所定期間内でセンサセル印加電圧を一定値（０．７Ｖ）としたが、その電圧値を所定期間内で変化させる構成であっても良い。例えば、高電圧の印加後、徐々に電圧を降下させて通常値に移行させる構成とする。
【００８２】
車両用エンジンでは、例えば高負荷運転時や高回転運転時等においてＮＯｘの排出量が増える傾向にあり、第２チャンバ１４６内でＮＯｘ過多の状態となればその余剰分が排出されるまで正確なＮＯｘ濃度出力が得られなくなる。そこで、エンジンがＮＯｘ排出増加傾向となる運転状態に移行した際において、センサセル１３０に流れる電流を増大し、結果として第２チャンバ１４６内に存在するＮＯｘを強制的に早期排出するよう構成すると良い。具体的には、スロットル開度信号や燃料噴射量等に応じてその都度のエンジン負荷状態を判定し、又はエンジン回転数信号に応じてその都度のエンジン回転状態を判定し、高負荷状態又は高回転状態であれば、電流検出抵抗を低抵抗側に切り替えれば良い。
【００８３】
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。
【００８４】
図７に示すガス濃度センサ３００では、符号３０１，３０２，３０３，３０４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３０１〜３０４が図の上下に積層されている。固体電解質３０１，３０３の間には、多孔質アルミナ等の絶縁材料からなる律速層３０５ａ，３０５ｂを隔てて第１チャンバ３０６及び第２チャンバ３０７が区画形成されている。固体電解質３０４により大気通路３０８が形成され、同固体電解質３０４にはヒータ３０９が埋設されている。
【００８５】
また、ガス濃度センサ３００には、第１ポンプセル３１０、第２ポンプセル３２０、センサセル３３０及びモニタセル３４０が設けられており、本センサ３００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３１０では、一対の電極３１１，３１２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３２０では、電極３１３，３１４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３３０では、電極３１４，３１５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３４０では、電極３１４，３１６間で起電力信号Ｖｍが検出される。なお、第１チャンバ３０６及び第２チャンバ３０７に対面する各セルの電極３１２，３１３，３１５，３１６のうち、センサセル３３０の電極３１５はＮＯｘに対して活性なロジウム、白金等よりなるＮＯｘ活性電極（特定成分活性電極）であり、他の電極はＮＯｘに対して不活性なＮＯｘ不活性電極である。
【００８６】
排ガスは、センサ先端部の律速層３０５ａを介して第１チャンバ３０６に導入される。排ガス中の大部分の酸素は、モニタセル３４０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３１０の印加電圧Ｖｐ１が制御されることで電極３１１から外部へ排出される。残ったガスは律速層３０５ｂを通過して第２チャンバ３０７に導入され、当該ガス中の残留酸素は第２ポンプセル３２０にて電圧Ｖｐ２の印加により分解されて大気通路３０８に排出される。また、ガス中のＮＯｘは、センサセル３３０にて電圧Ｖｓの印加により分解されて大気通路３０８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。
【００８７】
なお図７のガス濃度センサ３００では、第１ポンプセル３１０及び第２ポンプセル３２０が「第１セル」に、センサセル３３０が「第２セル」にそれぞれ相当する。また、第１チャンバ３０６が「第１ガス室」に、第２チャンバ３０７が「第２ガス室」にそれぞれ相当する。
【００８８】
また、センサセル３３０を対象に素子インピーダンスを検出する構成とした場合において、センサセル３３０用の電流検出回路３５０には、センサセル３３０によるＮＯｘ濃度検出時とインピーダンス検出時とで電流検出抵抗を切り替える構成が付加されている。電流検出回路３５０の詳細についての図示は省略するが、図１に示すセンサセル用回路構成と同様に、高抵抗（ＭΩオーダ）の電流検出抵抗、それに並列接続された低抵抗（数百Ωオーダ）の電流検出抵抗、抵抗値を大小切り替えるためのスイッチ回路などが設けられている。この場合、通常のガス濃度検出時には、高抵抗の電流検出抵抗でセンサセル電流Ｉｓが検出され、インピーダンス検出時には、低抵抗の電流検出抵抗でセンサセル電流Ｉｓが検出される。
【００８９】
そして更に、上記構成において、（１）センサセル印加電圧を高電圧化してセンサセルＮＯｘ活性電極の吸着酸素を強制離脱させること、及び、（２）電流検出抵抗を大小切り替えてチャンバ内酸素を強制排出させることとしている。これにより、センサ作動開始時において第２チャンバ３０７内の状態が早期にＮＯｘ濃度検出に最適な状態となり、正確なＮＯｘ濃度出力をいち早く得ることができるようになる。但し、上記（１）のみを実施する構成、上記（２）のみを実施する構成、上記（１），（２）をその都度のセンサ状態に応じて選択的に実施する構成が適宜採用できる。また、センサセル３３０に代えて第２ポンプセル３２０側の電流検出抵抗を切り替える構成、又は、センサセル３３０及び第２ポンプセル３２０の両方で電流検出抵抗を切り替える構成とすることも可能である。
【００９０】
ＮＯｘ濃度を検出可能なガス濃度センサの他に、特定成分のガス濃度として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】センサセルの印加電圧制御処理を示すフローチャートである。
【図５】センサ作動開始時におけるセンサセル電流やモニタセル電流等の推移を示すタイムチャートである。
【図６】センサ作動開始時におけるセンサセル電流やモニタセル電流等の推移を示すタイムチャートである。
【図７】別のガス濃度センサの構成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、２０８，２１０，２１５…電流検出抵抗、２１６…スイッチ回路、３００…ガス濃度センサ、３０１，３０３…固体電解質、３０６…第１チャンバ、３０７…第２チャンバ、３１０…第１ポンプセル、３１１〜３１６…電極、３２０…第２ポンプセル、３３０…センサセル、３４０…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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