(57)【要約】【課題】複数のセルを有するガス濃度検出装置において、外乱による温度変化でセル出力が変化するのを防止して、ＮＯｘ等の低濃度のガス濃度を高精度に検出する。【解決手段】ＮＯｘセンサセンサ素子１０１は、第１チャンバ１２０にポンプセル１４０を、第２チャンバ１２１にＮＯｘおよび残留酸素を分解するセンサセル１５０および残留酸素のみを分解するモニタセル１６０を有し、例えば、センサセル１５０とモニタセル１６０の電流出力差からＮＯｘ濃度を検出する。ＥＣＵ１０２は、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力を、素子温度の変化に応じて補正することにより、出力の変動を防止する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するための複数のセルを備えたガス濃度検出装置であって、素子温度が変化した時のセル出力の変化が異なる２つ以上のセルを有しており、その少なくとも１つの上記セル出力を温度変化に応じて補正する補正手段を設けたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
上記補正手段は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が大きいセルのみ補正を行なう請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
上記補正手段は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が小さいセルのみ補正を行なう請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
上記補正手段は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が異なる２つ以上のセルについて補正を行なう請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
上記補正手段は、温度変化が生じた時の温度変化率に基づいて上記セル出力を補正する請求項１ないし４のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項６】
上記補正手段は、温度変化が生じた時の温度変化量に基づいて上記セル出力を補正する請求項１ないし５のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項７】
上記補正手段は、上記温度変化率または上記温度変化量を素子インピーダンスに基づいて算出する請求項５または６のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
上記補正手段は、上記温度変化率または上記温度変化量から補正マップを用いて算出される補正値を基に上記セル出力を補正する請求項５ないし７のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
被測定ガスが導入されるチャンバと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルと、上記チャンバ内の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルを備える請求項１ないし８のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
上記補正手段は、上記モニタセルのみ補正を行なう請求項９記載のガス濃度検出装置。
【請求項１１】
上記補正手段は、上記センサセルのみ補正を行なう請求項９記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
上記補正手段は、上記モニタセルおよび上記センサセルについてそれぞれ補正を行なう請求項９記載のガス濃度検出装置。
【請求項１３】
上記補正手段は、上記モニタセルおよび上記センサセルの出力を基に演算した結果について補正を行なう請求項９記載のガス濃度検出装置。
【請求項１４】
上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える請求項９ないし１３のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項１５】
上記モニタセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記チャンバ内の残留酸素濃度に対応する電流信号を出力する、あるいは上記一対の電極間に上記チャンバ内の残留酸素濃度に対応する起電力を発生する請求項９ないし１４のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項１６】
上記ポンプセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極への印加電圧を、上記モニタセルの出力が一定となるようにフィードバック制御する、あるいは上記一対の電極間を流れる電流値に応じて制御する請求項１４または１５記載のガス濃度検出装置。
【請求項１７】
上記センサセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素濃度に対応する電流信号を出力する請求項９ないし１６のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項１８】
上記センサセルの電流出力と上記モニタセルの電流出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する請求項９ないし１７のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項１９】
上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる請求項１ないし１８のいずれか記載のガス濃度検出装置。
【請求項２０】
上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＰｔ−Ａｕ電極であり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＰｔ−Ｒｈ電極である請求項１９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、固体電解質体に設けた複数のセルを用いて被測定ガス中の特定ガス成分、例えば、車両エンジンの排気ガスに含まれるＮＯｘ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】
地球環境保護のため、車両エンジンから排出される排気ガスに対する規制が、年々厳しくなっている。この規制に対応するため、排ガス中の特定ガス、例えばＮＯｘ濃度を直接検出することが検討されている。このようなガス濃度検出装置として、酸素イオン導電性の固体電解質体に形成した複数のセルを備え、ＮＯｘ還元に対する活性の違いを利用してＮＯｘ濃度を検出するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２０２２８５号公報
【０００４】
従来のガス濃度検出装置において、センサ素子は、一般に、チャンバー内に導入される排ガス中の酸素を排出または汲み入れるポンプセルと、チャンバー内に残留する酸素濃度に応じた出力を発生するモニタセルと、チャンバー内に残留する酸素およびＮＯｘ濃度に応じた出力を発生するセンサセルにて構成される。そして、例えば、モニタセルで検出されるチャンバー内の酸素濃度が一定になるように、ポンプセル印加電圧をフィードバック制御するとともに、センサセルを流れる電流値から排ガス中のＮＯｘ濃度を検出している。
【０００５】
また、センサセルとモニタセルの電流出力の差から、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出することもできる。この時、ポンプセル印加電圧は、検出されるポンプセル電流に応じて予め定められた印加電圧マップを用いて制御される。このようにすると、チャンバー内の酸素濃度に依存しないセンサ出力を得ることができる利点がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、車両では、エンジンの回転数変動や負荷変動等により、排気ガス温度やガス流速が変化し、この外乱によりセンサ素子の温度が変化することがある。通常、センサ素子にはヒータが設けられており、素子温度を一定に保つようにヒータ制御を行なっているが、温度変動をゼロにすることは困難である。一方、外乱等によって温度変化が生じると、センサ素子を構成する固体電解質の焦電効果でセンサ温度の変化時に一時的に電流が流れたり、温度依存性により電流値が変化する。また、電圧電流特性の傾きが変化することから、検出すべき電流に変化が生じる。
【０００７】
特に、検出すべき特定ガスが低濃度で、検出すべきセンサ電流が小さい場合、外乱等による温度変化の影響が大きくなる。例えば、排気ガス中のＮＯｘ濃度を検出する場合にはｐｐｍオーダーの検出が必要で、検出すべきセンサ電流はｎＡ〜μＡオーダーとなるため、温度変化の影響は無視できないものとなる。さらに、センサセルとモニタセルの温度変化に対する感度が異なるため、センサセルとモニタセルの出力にずれが生じる結果、検出されるＮＯｘ値が変動してしまうことになり、ガス検出精度が悪化するおそれがあった。
【０００８】
本発明は、上記実情に鑑みてなされたもので、複数のセルを有するガス濃度検出装置において、外乱による素子温度変化時にセル出力が変化して検出精度が低下するのを防止し、被測定ガス中の低濃度の特定ガス成分、例えば排ガス中のＮＯｘの検出を精度よく行なうことのできるガス濃度検出装置を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１の発明は、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出するための複数のセルを備えたガス濃度検出装置であって、素子温度が変化した時のセル電流の変化が異なる２つ以上のセルを有しており、その少なくとも１つの上記セル出力を温度変化に応じて補正する補正手段を設けたものである。
【００１０】
上記構成によれば、外乱により温度変化が生じても、上記補正手段によりセル出力が温度変化に応じて補正されるので、温度変化の影響を小さくし出力の変動を抑制する。よって、低い濃度の検出が必要な特定ガス成分、例えばＮＯｘの検出を精度よく行なうことができる。
【００１１】
請求項２の発明において、上記補正手段は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が大きいセルのみ補正を行なう。例えば、モニタセル出力によってチャンバ内の酸素濃度を制御する場合に、外乱による出力変化が大きいモニタセルの出力を補正することで、残留酸素の変動を防止することができ、容易に検出精度の向上が可能になる。
【００１２】
請求項３の発明のように、上記補正手段にて、素子温度が変化した時のセル出力の変化が小さいセルのみ補正を行なうようにすることもできる。
【００１３】
請求項４の発明において、上記補正手段は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が異なる２つ以上のセルについて補正を行なう。例えば、センサセルとモニタセルの出力差から特定ガス成分濃度を検出する場合には、これらセルの出力をそれぞれ補正することで、より精度よい検出が可能である。
【００１４】
請求項５の発明において、上記補正手段は、温度変化が生じた時の温度変化率に基づいて上記セル出力を補正する。例えば、固体電解質の焦電効果で一時的に電流が流れる場合、流れる電流は温度変化率に比例するので、これを基に補正を行なうことで、外乱による出力変動を防止できる。
【００１５】
請求項６の発明において、上記補正手段は、温度変化が生じた時の温度変化量に基づいて上記セル出力を補正する。例えば、素子温度の変化でセルの電圧電流特性が変化するために検出誤差が生じる場合には、温度変化量を基に補正を行なうことで、外乱による検出誤差の発生を防止できる。
【００１６】
請求項７の発明において、上記補正手段は、上記温度変化率または上記温度変化量を素子インピーダンスに基づいて算出する。例えば、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化率ないし変化量に基づいて補正を行なうことで、精度よく補正を行なうことができる。
【００１７】
請求項８の発明において、上記補正手段は、上記温度変化率または上記温度変化量から補正マップを用いて算出される補正値を基に上記セル出力を補正する。温度変化率または温度変化量に対する補正値を予め実験等により求めておき、補正マップを用いて出力補正を行なうことで、容易に検出精度を向上できる。
【００１８】
請求項９の発明において、ガス濃度検出装置は、被測定ガスが導入されるチャンバと、上記チャンバ内の酸素濃度を検出するためのモニタセルと、上記チャンバ内の特定ガス成分濃度を検出するためのセンサセルを備える。
【００１９】
上記構成とすることで、ガス濃度検出装置は、例えば、モニタセルとセンサセルの出力差から上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出することができる。この時、温度変化による出力変化が生じても、上記補正手段にてセル出力を補正することができるので、精度よい検出が実現できる。
【００２０】
請求項１０の発明において、上記補正手段は、上記モニタセルのみ補正を行なう。上記請求項９の構成の場合、外乱によるセル出力の変化が顕著であるモニタセルの出力を補正することで、検出精度の向上が容易にできる。
【００２１】
請求項１１の発明において、上記補正手段は、上記センサセルのみ補正を行なう。例えば、上記センサセルの方が外乱によるセル出力の変化が顕著であることもあり、このような場合にはセンサセルの出力を補正するようにしても、もちろんよい。
【００２２】
請求項１２の発明において、上記補正手段は、上記モニタセルおよび上記センサセルについてそれぞれ補正を行なう。モニタセルとセンサセルの出力をそれぞれ上記補正手段で補正することで、検出精度をより向上させることができる。
【００２３】
請求項１３の発明において、上記補正手段は、上記モニタセルおよび上記センサセルの出力を基に演算した結果について補正を行なう。例えば、センサセル電流とモニタセル電流の差を出力とする場合には、先に各セルの出力を補正する代わりに、センサセル電流からモニタセル電流を減算した結果を補正するようにしてもよい。
【００２４】
請求項１４の発明において、ガス濃度検出装置は、上記チャンバ内に導入される被測定ガス中の酸素を外部に排出または外部から酸素を導入して上記チャンバ内の酸素濃度を調整するポンプセルを備える。
【００２５】
上記ポンプセルを用いると、例えば、上記チャンバ内の被測定ガス中の酸素を外部に排出し、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。よって、被測定ガス中の酸素濃度の影響を小さくすることができ、被測定ガス中の特定ガス成分の検出が容易になる。
【００２６】
請求項１５の発明において、上記モニタセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記チャンバ内の残留酸素濃度に対応する電流信号を出力する、あるいは上記一対の電極間に上記チャンバ内の残留酸素濃度に対応する起電力を発生する。
【００２７】
上記モニタセルの一対の電極に所定の電圧を印加すると、上記チャンバ内の残留酸素のみが分解されて外部へ排出され、その際に流れる電流値を検出することで残留酸素濃度を知ることができる。または、上記モニタセルの一対の電極間に酸素濃度差に応じた起電力が生じるので、この起電力から残留酸素濃度を検出することもできる。この時、温度変化により上記モニタセルの出力が変化すると、残留酸素濃度の検出精度が低下するが、本発明では、上記補正手段により出力補正を行なうことで、これを防止することができる。
【００２８】
請求項１６の発明において、上記ポンプセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極への印加電圧を、上記モニタセルの出力が一定となるようにフィードバック制御する、あるいは上記一対の電極間を流れる電流値に応じて制御する。
【００２９】
例えば、上記モニタセルの出力が所定の一定値となるように、上記一対の電極への印加電圧を制御することで、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。あるいは、上記ポンプセルの一対の電極間を流れる電流が、限界電流となるように、電流値に応じて上記一対の電極への印加電圧を制御することによっても、同様に、上記チャンバ内を所定の低酸素濃度に制御することができる。この時、温度変化により上記モニタセルの出力が変化すると、上記ポンプセルの制御性が低下するおそれがあるが、本発明では、上記補正手段により出力補正を行なうことで、これを防止することができる。
【００３０】
請求項１７の発明において、上記センサセルは、酸素イオン導電性の固体電解質体の表面に一対の電極を形成してなり、上記一対の電極間に所定の電圧を印加した時に上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素濃度に対応する電流信号を出力する。
【００３１】
上記センサセルの一対の電極に所定の電圧を印加すると、上記チャンバ内の上記特定ガス成分および残留酸素が分解されて外部へ排出される。上記チャンバ内は上記ポンプセルにより所定の酸素濃度に制御されているので、その際に流れる電流値は特定ガス成分濃度に依存して変化する。よって、この電流値から上記特定ガス成分濃度を検出することができる。この時、温度変化により上記センサセルの出力が変化すると、特定ガス成分の検出精度が低下するが、本発明では、上記補正手段により出力補正を行なうことで、これを防止することができる。
【００３２】
請求項１８の発明では、上記センサセルと上記モニタセルの電流出力の差から、被測定ガス中の特定ガス成分濃度を検出する。
【００３３】
上記センサセルからは特定ガス成分および残留酸素濃度に応じた出力が、上記モニタセルからは残留酸素濃度に応じた出力が得られるので、その出力の差をとることで、酸素濃度に依存しない出力が得られ、精度よい検出が可能である。この時、温度変化による両セルの出力変化に差があると、出力差が変動するおそれがあるが、本発明では、上記補正手段により出力補正を行なって温度の影響を低減できるので、検出精度がさらに向上する。
【００３４】
請求項１９の発明では、上記特定ガス成分がＮＯｘであり、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極がＮＯｘの還元分解に活性な電極材からなり、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極がＮＯｘの還元分解に不活性な電極材からなる。
【００３５】
例えば、ＮＯｘ濃度を検出する場合には、上記センサセルの電極をＮＯｘ分解活性な電極とし、上記モニタセルの電極をＮＯｘ分解不活性な電極とすれば、両セルの出力からＮＯｘ濃度を、精度よく検出することができる。
【００３６】
請求項２０の発明では、上記チャンバに面して設けられる上記モニタセルの電極をＰｔ−Ａｕ電極とし、上記チャンバに面して設けられる上記センサセルの電極をＰｔ−Ｒｈ電極とする。
【００３７】
具体的には、上記モニタセルの電極にＮＯｘの還元分解に不活性なＰｔ−Ａｕ電極が、上記センサセルの電極にＮＯｘの還元分解に活性なＰｔ−Ｒｈ電極が好適に用いられる。
【００３８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を自動車エンジンの排気通路に設けられるガス濃度検出装置に適用した第１の実施の形態を図面に基づいて説明する。本実施の形態において、ガス濃度検出装置は、被測定ガスである排気ガス中の特定ガス成分、例えば、ＮＯｘを検出するために用いられる。図１（ａ）は、ガス濃度検出装置の主要部を構成するＮＯｘセンサ素子１０１の概略構成を示す図で、センサ素子１０１は、通常、先端側　（図の左端側）が排気通路内に位置するように、排気管壁に取付られる。後端側　（図の右端側）は大気に露出している。
【００３９】
図１（ａ）において、センサ素子１０１は、排ガスが導入される第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１と、大気に連通する大気通路１３０、１３１と、第１チャンバ１２０側に設けられるポンプセル１４０と、第２チャンバ１２１側に設けられるセンサセル１５０およびモニタセル１６０とを有している。センサセル１５０とモニタセル１６０はセンサ素子１０１の長手方向に隣接して配されている。第１チャンバ１２０は第２チャンバ１２１と絞り１１０を介して連通しており、第１チャンバ１２０には、多孔質拡散層１０９およびピンホール１１１を介して排ガスが導入される。
【００４０】
センサ素子１０１は、センサセル１５０およびモニタセル１６０を構成するシート状の固体電解質体１７１の下方に、第１チャンバ１２０および第２チャンバ１２１を構成するスペーサ１７２を介して、ポンプセル１４０を構成するシート状の固体電解質体１７３を積層し、さらに大気通路１３０を構成するスペーサ１７４およびシート状のヒータ１１２を積層してなる。固体電解質体１７１の上方には、多孔質拡散層１０９および大気通路１３１を構成するスペーサ１７５が積層される。固体電解質体１７１、１７３は、ジルコニア等の酸素イオン導電性を有する固体電解質からなり、スペーサ１７２、１７４、１７５は、アルミナ等の絶縁材料で構成される。多孔質拡散層１０９は多孔質アルミナ等からなる。
【００４１】
ポンプセル１４０は、固体電解質体１７３とその上下表面に対向配置された一対の電極１４１、１４２からなり、第１チャンバ１２０内に導入された排ガス中の酸素を大気通路１３０に排出または汲み入れて、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を調整する。一対の電極のうち第１チャンバ１２０側の電極１４１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３０側の電極１４２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が好適に使用される。なお、多孔質サーメット電極は、金属成分とジルコニア、アルミナ等のセラミックスをペースト化し、焼成することにより形成される。
【００４２】
モニタセル１６０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１６１、１６２からなり、第１チャンバ１２０から絞り１１０を経て第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中の残留酸素濃度を検出する。一対の電極のうち第２チャンバ１２１側の電極１６１には、ＮＯｘの還元分解に対して不活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ａｕ多孔質サーメット電極が、大気通路１３１側の電極１６２には、例えば、Ｐｔ多孔質サーメット電極が用いられ、これら電極１６１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００４３】
センサセル１５０は、固体電解質体１７１とその上下表面に対向配置された一対の電極１５１、１６２からなる。センサセル１５０は、モニタセル１６０に隣接して設けられ、一対の電極のうち大気通路１３１側の電極１６２はモニタセル１６０と共通電極となっている。センサセル１５０は、第２チャンバ１２１内に導入された排ガス中のＮＯｘ濃度および残留酸素濃度を検出するもので、第２チャンバ１２１側の電極１５１には、ＮＯｘの還元分解に対して活性な電極、例えば、Ｐｔ−Ｒｈ多孔質サーメット電極が用いられる。これら電極１５１、１６２間に、所定の電圧を印加することにより、ＮＯｘ濃度および残留酸素濃度に応じた電流出力が得られる。
【００４４】
ヒータ１１２は、アルミナ等の絶縁材料からなるシート内に、ヒータ電極を埋設してなる。ヒータ電極は、外部からの給電により発熱し、素子全体を加熱して、上記各セル１４０、１５０、１６０を活性化温度以上に保持する。
【００４５】
上記構成のＮＯｘセンサ素子１０１の動作原理を説明する。図１（ａ）において、被測定ガスである排ガスは、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１を通過して第１チャンバ１２０に導入される。導入されるガス量は、多孔質拡散層１０９、ピンホール１１１の拡散抵抗により決定される。ここで、排ガス中の酸素が多い場合、ポンプセル１４０の電極１４１、１４２に、大気通路１３０側の電極１４２が＋極となるように電圧を印加すると、第１チャンバ１２０側の電極１４１上で排ガス中の酸素が還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１４２側へ排出される。また、排ガス中の酸素が欠乏したリッチ状態の場合、印加電圧を小さくすると、大気通路１３０側から第１チャンバ１２０側へ酸素が導入される。
【００４６】
ポンプセル１４０では、この酸素ポンプ作用を利用し、印加電圧の大きさと向きを調整して酸素を出し入れすることにより、チャンバ内の酸素濃度を制御することができる。通常は、ＮＯｘ検出時の酸素の影響を小さくするために、第１チャンバ１２０に導入される酸素をできるだけ排出して、第２チャンバ１２１内を所定の低酸素濃度に保持する。すなわち、ポンプセル１４０においては、第１チャンバ１２０側の電極１４１で排ガス中のＮＯｘが極力分解しないようにポンプセル１４０への印加電圧ＶＰを制御する。
【００４７】
ポンプセル１４０近傍を通過した排ガスは、絞り１１０を介して第１チャンバ１２０と連通する第２チャンバ１２１に流入する。排ガス中に残留する微量の酸素は、モニタセル１６０の電極１６１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧ＶＭを印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１６１上で還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される。電極１６１はＮＯｘ不活性電極であり、ＮＯｘを分解しない程度の電圧ＶＭを印加するため、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流ＩＭは、第２チャンバ１２１内の電極１６１に到達する酸素量に依存し、ＮＯｘ量には依存しない。従って、モニタセル電流ＩＭを検出することで、残留酸素濃度を検出することができる。
【００４８】
本実施の形態では、モニタセル１６０に所定の電圧ＶＭを印加した時に、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流ＩＭが一定となるように、ポンプセル１４０への印加電圧ＶＰをフィードバック制御する。これにより、第１チャンバ１２０に導入された酸素を速やかに排出し、第１チャンバ１２０に連通する第２チャンバ１２１内を所定の低酸素濃度に制御できる。この時、電流検出器１８１で測定されるポンプセル電流ＩＰは、排気ガス中の空燃比として扱われる。
【００４９】
また、センサセル１５０では、第２チャンバ１２１側の電極１５１がＮＯｘ活性電極であるため、電極１５１、１６２間に、大気通路１３１側の電極１６２が＋極となるように所定の電圧を印加すると、第２チャンバ１２１側の電極１５１上で排ガス中の残留酸素およびＮＯｘが還元分解されて酸素イオンとなり、ポンピング作用により電極１６２側へ排出される。ここで、センサセル１５０とモニタセル１６０は第２チャンバ１２１内で隣接しているので、第２チャンバ１２１側の電極１５１、１６１に到達する酸素量はほぼ等しく、また、この酸素量に対応するモニタセル電流ＩＭはポンプセル印加電圧ＶＰのフィードバック制御により一定に保たれる。従って、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流ＩＳを、ＮＯｘ濃度として検出することができる。
【００５０】
電流検出器１８１〜１８３で測定される電流値は、ＥＣＵ１０２に出力され、ＥＣＵ１０２は、モニタセル電流ＩＭに基づいてポンプセル印加電圧ＶＰのフィードバック制御等を行なうとともに、センサセル電流ＩＳによりＮＯｘ濃度を検出する。
【００５１】
ところが、図１（ｂ）のように、車両エンジンの回転数変動や負荷変動により排気ガス温度やガス流速が変化して、センサ素子１０１が急激に冷やされると、、モニタセル電流ＩＭおよびセンサセル電流ＩＳが一時的に低下することがあった。これは、センサ素子を構成する固体電解質の焦電効果によるもので、固体電解質の結晶格子に歪みが発生して酸素が移動することにより、素子の温度変化率に応じて電流が変化する。また、この際、Ｐｔ−Ａｕ電極を用いるモニタセル１６０は電流変化が顕著に出るが、Ｐｔ−Ｒｈ電極を用いるセンサセル１５０は、酸素の吸着機能で電流変化があまり生じないこと、すなわち、電流変化幅は、ΔＩＭ≠ΔＩＳの関係にあることが判明した。
【００５２】
そして、センサ素子１０１が冷却されるとモニタセル電流ＩＭが一瞬低下するため、ＥＣＵ１０２は、ポンプセル１４０で酸素を分解しすぎたと判断し、ポンプセル印加電圧ＶＰを低くする。ところが、実際には酸素濃度は変化していないため、第２チャンバ１２１に導入される排気ガス中の残留酸素が増えてしまい、結果的にＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）が増加することになる。逆に、センサ素子１０１の温度が上昇するとモニタセル電流ＩＭが一瞬増加するため、ＥＣＵ１０２は、ポンプセル印加電圧ＶＰを高くし、結果的にＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）が低下することになる。
【００５３】
そこで、本発明では、センサセル１５０とモニタセル１６０の少なくとも１つについて、セル出力を温度変化に応じて補正する補正手段を設ける。これを実現するために、本実施の形態において、補正手段となるＥＣＵ１０２は、素子温度が変化した時のセル出力の変化が大きいモニタセル１６０について、温度変化率に基づき、検出されるモニタセル電流ＩＭを補正する。温度変化率は、例えば、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）の変化率から知ることができる。よって、この温度変化率に基づいて、モニタセル電流ＩＭを、図１（ｂ）に破線で示すように、温度変化の影響がキャンセルされるように補正することで、ポンプセル印加電圧ＶＰの変化も抑えられ、第２チャンバ１２１内の所定の低酸素濃度に保持できるので、ＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）の変動を防止できる。
【００５４】
ここで、センサセル１５０では、上述したように酸素の吸着作用で電流変化があまり生じないので、センサセル電流ＩＳをそのままＮＯｘ出力とすることもできるが、より精度よい検出を行なうには、モニタセル電流ＩＭを補正する際に、温度変化率によるセンサセル電流ＩＳの変化を考慮して補正を行なうことが望ましい。これにより、ＮＯｘ出力が図１（ｂ）に破線で示すようになり、検出精度が向上する。モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳをそれぞれ補正することももちろんできる。
【００５５】
また、上記第１の実施の形態では、モニタセル電流ＩＭによりポンプセル印加電圧ＶＰをフィードバック制御するようにしたが、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差によりＮＯｘを検出することもできる。この場合を第２の実施の形態として図２で説明する。図２（ａ）に示すように、本実施の形態のＮＯｘセンサ素子１０１の基本構成は上記第１の実施の形態と同様であり、ポンプセル印加電圧ＶＰの制御方法が異なっている。
【００５６】
本実施の形態では、ＥＣＵ１０２によるポンプセル１４０の制御を、電流検出器１８１で測定されるポンプセル電流ＩＰに応じて予め定められた印加電圧マップを用いて行なう。ポンプセル１４０は、酸素濃度に対して限界電流特性を有し、ポンプセル印加電圧ＶＰとポンプセル電流ＩＰの関係を示すＶ−Ｉ特性図（図６　（ａ）　参照）において、限界電流域はＶ軸に略平行な直線部分からなり、酸素濃度が高いほど電圧値が大きくなる方向にシフトする。従って、ポンプセル電流ＩＰに応じてポンプセル印加電圧ＶＰを可変制御することにより、第１チャンバ１２０に導入された酸素を速やかに排出し、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度に制御することができる。
【００５７】
ポンプセル１４０近傍を通過した排ガスは、絞り１１０を介して第１チャンバ１２０と連通する第２チャンバ１２１に流入する。第２チャンバ１２１では、モニタセル１６０の電極１６１上で排ガス中の残留酸素が還元分解されて電極１６２側へ排出されるとともに、センサセル１５０の電極１５１上で排ガス中の残留酸素およびＮＯｘが還元分解されて電極１６２側へ排出される。つまり、電流検出器１８３で測定されるモニタセル電流ＩＭは、第２チャンバ１２１内の電極１６１に到達する酸素量のみに依存し、電流検出器１８２で測定されるセンサセル電流ＩＳは、第２チャンバ１２１に到達する酸素量およびＮＯｘ量に依存したものとなる。センサセル１５０とモニタセル１６０は第２チャンバ１２１内で隣接しており、第２チャンバ１２１側の電極１５１、１６１に到達する酸素量はほぼ等しいので、センサセル電流ＩＳからモニタセル電流ＩＭ（酸素量分）を減算することで、ＮＯｘ濃度を検出することができる。
【００５８】
第２の実施の形態においても、図２（ｂ）のように、車両の運転条件等の変化で、センサ素子１０１が冷却されると、素子温度の温度変化率に応じてモニタセル電流ＩＭが一時的に低下する。また、センサセル電流ＩＳも、前述したようにモニタセル電流ＩＭの変化より小さいが一時的に低下する。その結果、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差が実際よりも増加することになり、ＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ−モニタセル電流ＩＭ）が増加する、上記第１の実施の形態と同様の問題が生じる。また、逆に、センサ素子１０１の温度が上昇するとモニタセル電流ＩＭが一時的に増加し、センサセル電流ＩＳもモニタセル電流ＩＭの変化より小さいが一時的に増加して、結果的にＮＯｘ出力が低下することになる。
【００５９】
そこで、本実施の形態において、補正手段となるＥＣＵ１０２は、セル出力の変化が異なるモニタセル１６０とセンサセル１５０のそれぞれについて、検出されるセル電流を補正する。この場合も、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化率に基づいてモニタセル電流ＩＭを図の破線のように（温度変化の影響がキャンセルされるように）補正するとともに、感度の違うセンサセル電流ＩＳも図の破線のように（温度変化の影響がキャンセルされるように）補正すればよい。これにより、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差の増加を破線のように抑え、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。
【００６０】
具体的には、図３の補正マップを用いて、温度変化率［（１／Ｚａｃ）の微分値］から補正値ＫＭ、ＫＳを求め、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳを補正する。図３のように、温度変化率が大きいほど補正値ＫＭ、ＫＳが大きくなるように設定され、また、補正値ＫＭは、補正値ＫＳより大きくなっている。
【００６１】
この温度変化率による出力補正のフローチャートを図４に示す。図４において、まず、ステップ１０１で電流検出器１８３で検出したモニタセル電流ＩＭを、ステップ１０２で電流検出器１８２で検出したセンサセル電流ＩＳを読み込む。次いで、ステップ１０３で、素子インピーダンスを検出し、検出された今回のインピーダンスの逆数　（１／Ｚａｃ）と前回検出されたインピーダンスの逆数　（１／Ｚａｃ）を用い、下記の式　（１）　に基づいて温度変化率を算出する。
温度変化率＝今回　（１／Ｚａｃ）−前回　（１／Ｚａｃ）・・・　（１）
【００６２】
ここで、素子インピーダンスの検出は、掃引法を用いて行なうことができ、例えば、ポンプセル１４０またはモニタセル１６０に対して印加する電圧または電流を所定周期で一時的に切換え、その時の電圧変化および電流変化から素子インピーダンスを検出することができる。
【００６３】
次いで、ステップ１０４において、ステップ１０３で算出した温度変化率から、図３の補正マップを用いて、モニタセル電流ＩＭを補正するための補正値ＫＭを算出する。ステップ１０５では、この補正値ＫＭをモニタセル電流ＩＭから減算し、下記式（２）から、補正後のモニタセル電流ＩＭ’を算出する。
ＩＭ’＝ＩＭ−ＫＭ・・・（２）
【００６４】
同様に、ステップ１０６において、ステップ１０３で算出した温度変化率から、図３の補正マップを用いて、センサセル電流ＩＳを補正するための補正値ＫＳを算出する。ステップ１０７では、この補正値ＫＳをセンサセル電流ＩＳから減算し、下記式（３）から、補正後のセンサセル電流ＩＳ’を算出する。
ＩＳ’＝ＩＳ−ＫＳ・・・（３）
【００６５】
このようにして補正されたモニタセル電流ＩＭ’とセンサセル電流ＩＳ’の差を、ＮＯｘ出力とすることで、温度に対する感度を補正し、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。なお、本実施の形態では、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳを先に補正したが、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳの差（ＮＯｘ出力）を計算してから、インピーダンスの逆数　（１／Ｚａｃ）で補正してもよい。また、これらの補正には、インピーダンスの逆数　（１／Ｚａｃ）の微分値を用いたが、インピーダンスを微分してから逆数にしてもよい。また、温度変化に対応するものとしてインピーダンスを用いたが、温度センサ等により直接温度変化を検出してももちろんよい。
【００６６】
図５は、本発明の効果を示す図で、中段は補正前のモニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳを、下段は補正後のモニタセル電流ＩＭ’とセンサセル電流ＩＳ’を示す。上段のように温度変化が生じた時、中段のように、補正前のモニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳが一時的に変化し、このためＮＯｘ出力（モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳの差）が変動する。これに対し、上記補正手段により、温度変化率（インピーダンスの逆数　（１／Ｚａｃ）の微分値）を用いて補正を行なうことで、補正後のモニタセル電流ＩＭ’とセンサセル電流ＩＳ’の温度変化に対する感度をほぼ一致させ、出力変動を抑制できることがわかる。
【００６７】
なお、上記図１、２に示した第１、第２の実施の形態では、補正手段にて、温度変化率を基にセル電流の温度変化の影響がキャンセルされるように補正したが、上記図５では、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳの感度が同じになるように補正を行なっている。このように、本発明では、温度変化に基づいて出力変動が抑制されるように補正を行なえばよく、いずれの補正方法によっても同様の効果が得られる。
【００６８】
次に、本発明の第３、第４の実施の形態について説明する。上記第１、第２の実施の形態に示した、固体電解質の焦電効果による一時的な電流変化の他、温度変化による特性の変化で電流が変化することがある。特に、検出すべき特定ガスが低濃度である場合に、温度変化の影響を受けやすく、これを図６により説明する。図６（ａ）は、ポンプセル１４０のＶ−Ｉ特性図で、従来からある空燃比センサと同じ特性を示し、通常の使用温度では実線のような特性となるが、温度が高いと傾き　（Ｒｉ）　が一点鎖線のように小さくなり、温度が低いと破線のように傾き　（Ｒｉ）　が大きくなる。
【００６９】
一方、図６（ｂ）は、特定ガスを検出するセンサセル１５０のＶ−Ｉ特性図で、温度特性は図６（ａ）　と同様であるが、検出すべき電流は、図６（ａ）　がｍＡオーダーであるのに対し、図６（ｂ）ではｎＡオーダーと非常に小さい。問題点は、センサセル電圧ＶＳが一定以上になると水が分解して電流が増加することで、例えば、通常は、０．４Ｖ程度のセンサセル電圧ＶＳを印加して特定ガス濃度相当の電流を検出するが、０．１Ｖ程度増加した場合は、水を分解しはじめるため、センサセル電流ＩＳが６０ｎＡ程度増加してしまう。これは特定ガス濃度（ＮＯｘ）相当で２０ｐｐｍ程度であり、特定ガスを検出する上で、非常に大きな誤差となる。なお、ポンプセル１４０の場合も同様に印加電圧の上昇で水の分解が生じるが、電流の増加は同じ６０ｎＡで、出力がｍＡオーダーであることを考慮すると、酸素濃度で０．００２４％であり影響は無視できる程度に小さい。
【００７０】
図６（ｂ）のように、センサセル１５０では、排気ガス温度や内蔵ヒータによる温度制御変動等の外乱で温度が上昇し、一点鎖線のように傾き　（Ｒｉ）　が低下すると、水の分解電圧も低下してしまう。一方で、外乱により温度が低下すると、破線のように傾き　（Ｒｉ）　が増大し水の分解電圧も上昇する。そこで、これらの影響を考慮してセンサセル印加電圧ＶＳを設定するが、水を分解しない電圧とすると外乱により温度変動があった場合に、センサセル電流ＩＳが若干限界電流域から外れることがあり、温度変化量の影響を大きく受けることになる。モニタセル１６０の特性も同様の影響を受ける。
【００７１】
そこで、このような場合に、補正手段となるＥＣＵ１０２は、温度変化量に基づき、セル出力の変化が異なるモニタセル１６０とセンサセル１５０のそれぞれについて、検出されるセル電流を補正する。この補正を、上記図１　（ａ）　に示したモニタセル電流ＩＭでポンプセル印加電圧ＶＰをフィードバック制御する構成について行なった場合を、第３の実施の形態として説明する。図７　（ａ）　のように、例えば、センサ素子１０１が冷却されることにより、モニタセル電流ＩＭが低下した場合、ＥＣＵ１０２は、ポンプセル１４０で酸素を分解しすぎたと判断し、ポンプセル印加電圧ＶＰを低くする。ところが、実際には酸素濃度は変化していないため、第２チャンバ１２１に導入される排気ガス中の残留酸素が若干増え、、残留酸素の増加分だけセンサセル１５０で分解される酸素が増えることになる。一方、温度変化によってセンサセル電流ＩＳも低下しているが、これらの合成で、結果的にＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）が上昇することになって、検出誤差を生む。
【００７２】
このため、本実施の形態では、補正素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化量から温度変化量を算出し、これを基にモニタセル電流ＩＭを図７　（ａ）　の一点鎖線のように補正することで、ポンプセル印加電圧ＶＰの変化も抑える。一方、ＮＯｘ出力となるセンサセル電流ＩＳも温度変化により上昇するため、同様に、インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）から算出される温度変化量で一点鎖線のように補正する。つまり、上記出力誤差は、モニタセル電流ＩＭのフィードバックによる残留酸素の影響とセンサセル電流ＩＳの温度変化による影響が含まれるため、本実施の形態では、温度変化量を基にモニタセル電流ＩＭを補正して残留酸素の影響を除き、純粋なセンサセル電流ＩＳをさらに補正することで、検出精度を向上させることができる。
【００７３】
また、この補正を、上記図２　（ａ）　に示したセンサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差によりＮＯｘを検出する構成について行なった場合を、第４の実施の形態として説明する。図７　（ｂ）　のように、例えば、センサ素子１０１が冷却されると、同様に、モニタセル電流ＩＭが低下する。また、センサセル電流ＩＳも、前述したようにモニタセル電流ＩＭの変化感度より小さいが低下する。その結果、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差が実際よりも増加することになり、ＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ−モニタセル電流ＩＭ）が増加することになり、検出誤差が発生する。
【００７４】
本実施の形態においても、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化量に応じてセル電流を補正する。すなわち、インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）から温度変化量を算出し、これを基にモニタセル電流ＩＭを図７　（ｂ）　の一点鎖線のように補正するとともに、感度の違うセンサセル電流ＩＳも同様に一点鎖線のように補正することで、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差の増加を一点鎖線のように抑え、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。
【００７５】
具体的には、図８の補正マップを用いて、温度変化量（Δ１／Ｚａｃ）から補正値ＡＭ、ＡＳを求め、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳを補正する。図８のように、温度変化量が大きいほど補正値ＡＭ、ＡＳが大きくなるように設定され、また、補正値ＡＭは、補正値ＡＳより大きくなっている。この温度変化量による出力補正のフローチャートを図９に示す。図９において、まず、ステップ２０１で電流検出器１８３で検出したモニタセル電流ＩＭを、ステップ２０２で電流検出器１８２で検出したセンサセル電流ＩＳを読み込む。次いで、ステップ２０３で、素子インピーダンス　（Ｚａｃ）を検出し、目標温度　（１／Ｚａｃ）と現在温度（１／Ｚａｃ）の差を算出して温度変化量（Δ１／Ｚａｃ）とする。
【００７６】
次いで、ステップ２０４において、ステップ２０３で算出した温度変化量（Δ１／Ｚａｃ）から、図８の補正マップを用いて、モニタセル電流ＩＭを補正するための補正値ＡＭを算出する。ステップ２０５では、この補正値ＡＭをモニタセル電流ＩＭから減算し、下記式（４）から、補正後のモニタセル電流ＩＭ’’を算出する。
ＩＭ’’＝ＩＭ−ＡＭ・・・（４）
【００７７】
同様に、ステップ２０６において、ステップ２０３で算出した温度変化量から、図８の補正マップを用いて、センサセル電流ＩＳを補正するための補正値ＡＳを算出する。ステップ２０７では、この補正値ＡＳをセンサセル電流ＩＳから減算し、下記式（５）から、補正後のセンサセル電流ＩＳ’’を算出する。
ＩＳ’’＝ＩＳ−ＡＳ・・・（５）
【００７８】
このようにして補正されたモニタセル電流ＩＭ’’とセンサセル電流ＩＳ’’の差を、ＮＯｘ出力とすることで、温度に対する感度を補正し、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。この場合も、上記第１、第２の実施の形態と同様、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳの差を算出してから、図８のようなＩＭとＩＳの差による補正マップによって補正してもよい。
【００７９】
次に、本発明の第５、第６の実施の形態について説明する。車両では、エンジンの回転数変動や負荷変動により排気ガス温度やガス流速が変化して、上記第１、第２の実施の形態に示した、固体電解質の焦電効果による一時的な電流変化と、上記第３、第４の実施の形態に示した、温度特性による電流変化が、同時に発生してガス検出精度が低下することがある。そこで、これらの両方を考慮して、補正手段となるＥＣＵ１０２により、検出されるセル電流を補正することもできる。
【００８０】
この場合、補正手段となるＥＣＵ１０２は、モニタセル１６０とセンサセル１５０のそれぞれについて、検出されるセル電流を、温度変化率および温度変化量に応じて補正する。この補正を、上記図１　（ａ）　に示したモニタセル電流ＩＭでポンプセル印加電圧ＶＰをフィードバック制御する構成について行なった場合を、第５の実施の形態として説明する。図１０　（ａ）　のように、車両の条件により急激にセンサ素子１０１がセンサ素子１０１が冷却されると、素子温度の変化に伴い、モニタセル電流ＩＭが低下する。このモニタセル電流ＩＭの低下には、上記第１、第２の実施の形態と同様の温度変化率に応じた一時的な電流低下（実線分と破線分の差）と、上記第３、第４の実施の形態と同様の温度変化量に応じた電流低下（破線分）が含まれており、これらの合成で図（実線）のように変動する。
【００８１】
このため、ＥＣＵ１０２は、ポンプセル１４０で酸素を分解しすぎたと判断し、ポンプセル印加電圧ＶＰを下げる。ところが、実際には酸素濃度は変化していないため、第２チャンバ１２１に導入される排気ガス中の残留酸素が若干増え、残留酸素の増加分だけセンサセル１５０で分解される酸素が増えることになる。ここで、温度変化率に応じてセンサセル電流ＩＳも低下するが、感度の違いからモニタセル電流ＩＭほどの低下とならないため、残留酸素によってセンサセル電流ＩＳが上昇する。このため、ＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）は、一時的な電流変化の後に安定するが、ＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ）は増加したままとなって、検出誤差を生む。
【００８２】
そこで、本実施の形態においても、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化率によりモニタセル電流ＩＭの変化率を補正するとともに、その変化量を算出してモニタセル電流ＩＭの変化量を補正する。これにより、モニタセル電流ＩＭを図１０　（ａ）　の一点鎖線のように補正し、ポンプセル印加電圧ＶＰの変化も抑える。一方、ＮＯｘ出力となるセンサセル電流ＩＳも、温度変化率と温度変化量により補正を行なうことで、一点鎖線のように出力変動を抑制し、検出精度を向上させることができる。
【００８３】
また、この補正を、上記図２　（ａ）　に示したセンサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの差によりＮＯｘを検出する構成について行なった場合を、第６の実施の形態として説明する。図１０　（ｂ）　のように、センサ素子１０１が冷却されると、同様に、モニタセル電流ＩＭが温度変化率と温度変化量に応じて変動しながら低下する。また、センサセル電流ＩＳも、前述したようにモニタセル電流ＩＭの変化感度より小さいが変動しながら低下する。その結果、センサセル電流ＩＳとモニタセル電流ＩＭの温度に対する感度差により、結果的にＮＯｘ出力（センサセル電流ＩＳ−モニタセル電流ＩＭ）が変動しながら増加することになり、出力誤差が発生する。
【００８４】
本実施の形態においても、素子の温度変化に対し１：１で対応する素子インピーダンスの逆数（１／Ｚａｃ）を用い、その変化率によりモニタセル電流ＩＭの変化率を補正するとともに、センサセル電流ＩＳも温度変化率により、センサセル電流ＩＳの感度に合わせて補正する。また、温度変化量を算出して、モニタセル電流ＩＭの変化量を補正するとともに、センサセル電流ＩＳも温度変化量により感度に合わせて補正する。図中、温度変化量による補正量が破線分であり、残りが温度変化率による補正量である。この２つの補正により一点鎖線のようにモニタセル電流ＩＭおよびセンサセル電流ＩＳがそれぞれ補正され、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。
【００８５】
具体的には、上記図３の温度変化率の補正マップを用い、温度変化率（１／Ｚａｃの微分値）から補正値ＫＭ、ＫＳを求める一方、図８の補正マップを用いて、温度変化量（Δ１／Ｚａｃ）から補正値ＡＭ、ＡＳを求めて、モニタセル電流ＩＭとセンサセル電流ＩＳを補正する。この温度変化量による出力補正のフローチャートを図１１に示す。図１１において、まず、ステップ３０１で電流検出器１８３で検出したモニタセル電流ＩＭを、ステップ３０２で電流検出器１８２で検出したセンサセル電流ＩＳを読み込む。次いで、ステップ３０３で、素子インピーダンス　（Ｚａｃ）を検出し、上記式（１）から温度変化率を算出する。
【００８６】
次いで、ステップ３０４において、ステップ３０３で算出した温度変化率から、図３の補正マップを用いて、モニタセル電流ＩＭを補正するための補正値ＫＭを算出し、ステップ３０５で、同様に、センサセル電流ＩＳを補正するための補正値ＫＳを算出する。さらに、ステップ３０６では、ステップ３０３で検出した素子インピーダンス　（Ｚａｃ）から、目標温度　（１／Ｚａｃ）と現在温度（１／Ｚａｃ）の差を算出して温度変化量（Δ１／Ｚａｃ）とする。
【００８７】
次いで、ステップ３０７において、ステップ３０６で算出した温度変化量から、図８の補正マップを用いて、モニタセル電流ＩＭを補正するための補正値ＡＭを算出し、ステップ３０８で、同様に、センサセル電流ＩＳを補正するための補正値ＡＳを算出する。さらに、ステップ３０９では、ステップ３０４、３０７で算出したモニタセル電流補正値ＫＭ、ＡＭをモニタセル電流ＩＭから減算し、下記式（６）から、補正後のモニタセル電流ＩＭ’’’を算出する。
ＩＭ’’’＝ＩＭ−ＫＭ−ＡＭ・・・（６）
同様に、ステップ３１０において、ステップ３０５、３０８で算出したセンサセル電流補正値ＫＳ、ＡＳをセンサセル電流ＩＳから減算し、下記式（７）から、補正後のセンサセル電流ＩＳ’’’を算出する。
ＩＳ’’’＝ＩＳ−ＫＳ−ＡＳ・・・（７）
【００８８】
以上のようにして補正されたモニタセル電流ＩＭ’’’とセンサセル電流ＩＳ’’’の差を、ＮＯｘ出力とすることで、温度に対する感度を補正し、ＮＯｘ出力の変動を防止することができる。
【００８９】
ここで、ＮＯｘセンサ素子１０１構成は、上記各実施の形態の構成（図１（ａ）、図２（ａ））に限るものではなく、例えば、図１２に第７の実施の形態として示す構成とすることもできる。上記各実施の形態では、センサセル１５０とモニタセル１６０を素子の長手方向に隣合うように配設したが、図１２のように、本実施の形態におけるセンサ素子１０１は、センサセル１５０とモニタセル１６０が、素子の長手方向の同等位置に、略対称に配置してある。その他の構成および基本的な作動は上記各実施の形態と同様である。
【００９０】
第２チャンバ１２１内の酸素濃度分布は、排ガスの導入経路に沿った方向、ここでは素子の長手方向で生じやすいが、本実施の形態の配置とすると、第２チャンバ２０１のガス流れに対してセンサセル１５０とモニタセル１６０が同等距離位置となる。このため、酸素濃度分布によらず、センサセル１５０の電極１５１とモニタセル１６０の電極１６１上の酸素濃度が同じになる。従って、第２チャンバ１２１内の残留酸素に対するセンサセル１５０とモニタセル１６０の感度を同じくすることができ、より精度の高い検出が可能になる。
【００９１】
また、上記各実施の形態では、ポンプセル１４０とセンサセル１５０およびモニタセル１６０を備える３セル構造のＮＯｘセンサ素子１０１を用いたが、本発明を、４セルまたはそれ以上のセルを有するＮＯｘセンサ素子１０１に適用することもできる。また、モニタセル１６０の起電力からポンプセル１４０をフィードバック制御する構成としてもよい。これを、図１３に第８の実施の形態として示す。
【００９２】
図１３において、センサ素子１０１は、ジルコニア等の固体電解質体１７６、１７７、１７８を順に積層して、その内部に第１チャンバ１２０、第２チャンバ１２１を形成しており、多孔質抵抗層１１７、１１８を通って排ガスが導入されるようになっている。第１チャンバ１２０には、第１ポンプセル１４３とモニタセル１６０が、第２チャンバ１２１には、センサセル１５０と第２ポンプセル１４６が設けられる。第１ポンプセル１４３は固体電解質体１７６の上下表面に一対の電極１４４、１４５を有し、モニタセル１６０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１６１、１１６を有する。電極１１６は大気通路１３２に面する大気電極で、センサセル１５０、第２ポンプセル１４６と共通電極となっている。センサセル１５０は、固体電解質体１７８の上下表面に一対の電極１５１、１１６を有し、第２ポンプセル１４６は、固体電解質体１７６下面の電極１４７と大気電極１１６からなる。大気通路１３２の下方にはヒータ１１２が設けられる。
【００９３】
上記構成において、排ガスは多孔質抵抗層１１７を通って第１チャンバ１２０に導入され、ガス中の大部分の酸素は、第１ポンプセル１４３によって排気側へ排出される。この時、第１チャンバ１２０内の酸素濃度は、モニタセル１６０の電極１６１、１１６間に生じる起電力ＶＭによって検出され、この検出値が所定の一定値になるように、第１ポンプセル１４３への印加電圧ＶＰ１　を制御することで、第１チャンバ１２０内を所定の低酸素濃度とする。排ガスは、さらに多孔質抵抗層１１８を通って第２チャンバ１２１に導入され、ガス中の残留酸素は、第２ポンプセル１４６により分解されて大気通路１３２へ排出される。第２ポンプセル１４６の印加電圧ＶＰ２は、第２ポンプセル１４６を流れる電流ＩＰ２　に応じて制御されたり、ＮＯｘを分解しない程度の固定電圧ＶＰ２が印加される。ＮＯｘは、センサセル１５０に所定の電圧ＶＳを印加することにより、チャンバ側の電極１５１上で分解されて大気通路１３２へ排出される。その際、センサセル１５０に流れる電流ＩＳがＮＯｘ濃度として検出される。
【００９４】
このように、モニタセル１６０の電圧出力（ＶＭ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧ＶＰ１　を制御する構成においても、上記第１、第２の実施の形態で示した電気的補正手段を用いることができる。ここで、本実施の形態では、モニタセル１６０の電圧出力（ＶＭ）によって第１ポンプセル１４３への印加電圧ＶＰ１　を制御するように構成されており、センサセル１５０との出力差を算出してＮＯｘ濃度とする上記第２、第４の実施の形態とは異なるが、センサセル１５０とモニタセル１６０の出力特性は、上記実施の形態とほぼ同じになる。そこで、本実施の形態においても、上記第１ないし第６の実施の形態で示した補正手段を用いて、モニタセル１６０、センサセル１５０の出力を補正することで、検出精度を向上させる同様の効果が得られる。
【００９５】
図１４に本発明の第９の実施の形態を示す。本実施の形態の構成は、上記第８の実施の形態とほぼ同様であり、第１チャンバ１２０に、第１モニタセル１６３を設けるとともに、第２チャンバ１２１に、第２モニタセル１６４を設けた点でのみ異なっている。第１モニタセル１６３の電極は、第１ポンプセル１４３と共通の電極１４４と大気電極１１６からなり、第２モニタセル１６４の電極は、第２ポンプセル１４６と共通の電極１４７と大気電極１１６からなる。
【００９６】
この構成では、第１モニタセル１６３の電極１４４、１１６間に生じる起電力ＶＭ１　によって、第１チャンバ１２０内の酸素濃度を検出し、第１ポンプセル１４３への印加電圧ＶＰ１　を制御するとともに、第２モニタセル１６４の電極１４７、１１６間に生じる起電力ＶＭ２　によって、第２チャンバ１２１内の酸素濃度を検出し、第２ポンプセル１４６への印加電圧ＶＰ２　を制御するようになっている。この構成においても、上記第１ないし第６の実施の形態で示した補正手段を用いることができ、同様の効果が得られる。
【００９７】上記各実施の形態では、排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度の検出に本発明を適用する構成について説明したが、本発明は、ＮＯｘ以外の特定ガス成分、例えば、ＨＣ、ＣＯ、Ｏ２等を検出するガス濃度検出装置にも適用可能である。また、内燃機関の排ガス以外のガスを被測定ガスとすることもできる。
【００９８】
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は第１の実施の形態におけるガス濃度検出装置の主要部の概略構成図、（ｂ）は温度変化率に基づく補正方法を説明するための図である。
【図２】（ａ）は第２の実施の形態におけるガス濃度検出装置の主要部の概略構成図、（ｂ）は温度変化率に基づく補正方法を説明するための図である。
【図３】温度変化率と補正値の関係を示す図である。
【図４】温度変化率に基づく補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図５】本発明の効果を示すセンサセル電流およびモニタセル電流の出力特性図である。
【図６】（ａ）はポンプセルのＶ−Ｉ特性図、（ｂ）はセンサセルのＶ−Ｉ特性図である。
【図７】（ａ）は第３の実施の形態における温度変化量に基づく補正方法を説明するための図、（ｂ）は第４の実施の形態における温度変化量に基づく補正方法を説明するための図である。
【図８】温度変化量と補正値の関係を示す図である。
【図９】温度変化量に基づく補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図１０】（ａ）は第５の実施の形態における温度変化率および温度変化量に基づく補正方法を説明するための図、（ｂ）は第６の実施の形態における温度変化率および温度変化量に基づく補正方法を説明するための図である。
【図１１】温度変化率および温度変化量に基づく補正方法を説明するためのフローチャートである。
【図１２】（ａ）は第７の実施の形態におけるガス濃度検出装置の主要部の概略構成図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。
【図１３】第８の実施の形態におけるガス濃度検出装置の主要部の概略構成図である。
【図１４】第９の実施の形態におけるガス濃度検出装置の主要部の概略構成図である。
【符号の説明】
１０１　ＮＯｘセンサ素子
１０２　ＥＣＵ
１２０　第１チャンバ
１２１　第２チャンバ
１３０、１３１　大気通路
１４０　ポンプセル
１５０　センサセル
１６０　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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【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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