(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバーに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込むためのポンプセルと、ポンプ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センサセルと、チャンバー内の残留酸素濃度を検出するためのモニタセルとを備えるガス濃度センサを用い、ポンプセルへの電圧印加時にセンサセル電流、モニタセル電流を各々計測してその時のセンサセル電流から特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
予め規定した印加電圧特性を用い、その都度のポンプセル電流に応じてポンプセル電圧を初期設定する手段と、
前記初期設定したポンプセル電圧を正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項２】
ポンプセル電圧に対するモニタセル電流の特性上前記チャンバー内の残留酸素量が増加する領域と前記チャンバー内の残留酸素濃度がほぼ一定となる領域とが存在することに基づきモニタセル電流が変化するポンプセル電圧と、前記初期設定したポンプセル電圧との差を、ポンプセル電圧の変化時におけるモニタセル電流の大きさから判断し、その結果に応じてポンプセル電圧の補正を行う請求項１記載のガス濃度検出装置。
【請求項３】
ポンプセル電圧を一方向にのみ一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１又は２記載のガス濃度検出装置。
【請求項４】
ポンプセル電圧を正負両方向に一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１又は２記載のガス濃度検出装置。
【請求項５】
請求項４記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のモニタセル電流の変化量を計測し、正負両方向の各々の電流変化量が一致するかどうかによりポンプセル電圧の補正の要否を判定するガス濃度検出装置。
【請求項６】
請求項４又は５記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のモニタセル電流の変化量を計測し、センサ初期特性と異なるものであって且つ正負両方向の各々の電流変化量が一致しない場合、モニタセル電流の変化が大きいポンプセル電圧の変化方向とは逆方向にポンプセル電圧を補正するガス濃度検出装置。
【請求項７】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流に応じて電圧補正値を算出し、その電圧補正値をバックアップメモリに記憶保持する請求項１乃至６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項８】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流に応じて電圧補正値を算出し、該電圧補正値により、予め規定した印加電圧特性を更新する請求項１乃至７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項９】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさを一定範囲内に保つようにしてポンプセル電圧を制御する請求項１乃至６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１０】
請求項９記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧の変化時にモニタセル電流が前記一定範囲に達しない場合、或いは同モニタセル電流が前記一定範囲を超える場合に、ポンプセル電圧を増加又は減少させるガス濃度検出装置。
【請求項１１】
ポンプセル電圧を大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１乃至１０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１２】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を更に備えた請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１３】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段に代えて、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を備えた請求項１乃至１１の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項１４】
チャンバーに導入した被検出ガス中の酸素を排出又は汲み込むためのポンプセルと、ポンプ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センサセルと、チャンバー内の残留酸素濃度を検出するためのモニタセルとを備えるガス濃度センサを用い、ポンプセルへの電圧印加時にセンサセル電流、モニタセル電流を各々計測してその時のセンサセル電流から特定ガス成分の濃度を検出するガス濃度検出装置であって、
予め規定した印加電圧特性を用い、その都度のポンプセル電流に応じてポンプセル電圧を初期設定する手段と、
前記初期設定したポンプセル電圧を正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段と、
を備えたことを特徴とするガス濃度検出装置。
【請求項１５】
ポンプセル電圧に対するセンサセル電流の特性上前記チャンバー内の残留酸素量が増加する領域と前記チャンバー内の残留酸素濃度がほぼ一定となる領域とが存在することに基づきセンサセル電流が変化するポンプセル電圧と、前記初期設定したポンプセル電圧との差を、ポンプセル電圧の変化時におけるセンサセル電流の大きさから判断し、その結果に応じてポンプセル電圧の補正を行う請求項１４記載のガス濃度検出装置。
【請求項１６】
ポンプセル電圧を一方向にのみ一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１４又は１５記載のガス濃度検出装置。
【請求項１７】
ポンプセル電圧を正負両方向に一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１４又は１５記載のガス濃度検出装置。
【請求項１８】
請求項１７記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のセンサセル電流の変化量を計測し、正負両方向の各々の電流変化量が一致するかどうかによりポンプセル電圧の補正の要否を判定するガス濃度検出装置。
【請求項１９】
請求項１７又は１８記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のセンサセル電流の変化量を計測し、センサ初期特性と異なるものであって且つ正負両方向の各々の電流変化量が一致しない場合、センサセル電流の変化が大きいポンプセル電圧の変化方向とは逆方向にポンプセル電圧を補正するガス濃度検出装置。
【請求項２０】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流に応じて電圧補正値を算出し、その電圧補正値をバックアップメモリに記憶保持する請求項１４乃至１９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２１】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流に応じて電圧補正値を算出し、該電圧補正値により、予め規定した印加電圧特性を更新する請求項１４乃至２０の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２２】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさを一定範囲内に保つようにしてポンプセル電圧を制御する請求項１４乃至１９の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２３】
請求項２２記載のガス濃度検出装置において、ポンプセル電圧の変化時にセンサセル電流が前記一定範囲に達しない場合、或いは同センサセル電流が前記一定範囲を超える場合に、ポンプセル電圧を増加又は減少させるガス濃度検出装置。
【請求項２４】
ポンプセル電圧を大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する請求項１４乃至２３の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２５】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を更に備えた請求項１４乃至２４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２６】
ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段に代えて、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を備えた請求項１４乃至２４の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２７】
ガス濃度検出期間では、印加電圧特性に基づきポンプセル電圧を制御しつつ定期的に特定ガス成分の濃度を検出するのに対し、前記ガス濃度検出期間とは異なるポンプセル電圧補正期間では、ポンプセル電圧の一時的な変化による当該ポンプセル電圧の補正処理を実施する請求項１乃至２６の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２８】
ポンプセル電圧を一時的に変化させる際、その時のモニタセル電流及びセンサセル電流に対してフィルタ処理をかけ、モニタセル電流及びセンサセル電流の応答波形をなまらせる構成とした請求項１乃至２７の何れかに記載のガス濃度検出装置。
【請求項２９】
前記ガス濃度センサは、車両用エンジンから排出される排ガスを検出対象とするセンサであり、少なくともエンジンの始動時又は停止時に前記一連の電圧補正処理、或いは劣化判定の処理を実施する請求項１乃至２８の何れかに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、限界電流式のガス濃度センサを用い、被検出ガス中の特性ガス成分の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、例えば自動車の排ガス中のＮＯｘを検出するものがある。ガス濃度センサは基本構造として、固体電解質素子からなるポンプセルとセンサセルとを備え、ポンプセルでは、チャンバー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、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）が検出される。これらポンプセル、センサセルは、電圧の印加に伴い酸素濃度やＮＯｘ濃度に応じて電流信号を出力する（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、ガス濃度センサとして、上記したポンプセル及びセンサセルに加え、チャンバー内の酸素濃度に応じた起電力を発生するモニタセルを有するものがある。この場合、チャンバー内を所定の低酸素濃度に保つべく設定したモニタセル起電力の目標値と、実際のモニタセル起電力との偏差に基づいてポンプセルの印加電圧を制御するようにしていた。
【０００４】
【特許文献１】
特許第２８８５３３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガス濃度センサでは、個体差や経時変化等により固体電解質素子の抵抗値（素子インピーダンス）にばらつきが生じる。従って、それが原因でガス濃度の検出精度が低下するという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、上記問題に着目してなされたものであって、その目的とするところは、センサ個体差や経時変化等に影響されることなく、ガス濃度を精度良く検出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、ポンプセル、センサセル及びモニタセルを備えるガス濃度センサを用い、ポンプセルへの電圧印加時にセンサセル電流、モニタセル電流を各々計測してその時のセンサセル電流から特定ガス成分の濃度を検出することを前提としている。このガス濃度検出装置において、請求項１に記載の発明では、予め規定した印加電圧特性を用い、その都度のポンプセル電流に応じてポンプセル電圧を初期設定する。そして、前記初期設定したポンプセル電圧を正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する。
【０００８】
要するに、ポンプセル電圧（Ｖｐ）とモニタセル電流（Ｉｍ）との関係を示す特性上、ポンプセル電圧が低い領域ではモニタセル電流が急激に増大し、ポンプセル電圧がある程度高くなるとモニタセル電流がほぼ一定になる（図２（ｂ）のＶｐ−Ｉｍ特性を参照）。つまり、上記特性では、モニタセル電流が急変する変曲点が存在する。また、ポンプセル電圧（Ｖｐ）とセンサセル電流（Ｉｓ）との関係を示す特性上、ポンプセル電圧に対して平坦な電流域（平坦領域）があり、その平坦領域では特定ガス成分の濃度（例えばＮＯｘ濃度）が精度良く検出できる（図２（ｂ）のＶｐ−Ｉｓ特性を参照）。こうしたセンサ特性において、センサ個体差や経時変化等によりポンプセル電圧に対するモニタセル電流やセンサセル電流の特性が変化する場合、初期設定したポンプセル電圧に対してモニタセル電流の変曲点が近づいたり、遠ざかったりすることが考えられる。この場合、ポンプセル電圧を一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさを計測することによりモニタセル電流の変曲点の位置が判断できる。更に、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正することにより、平坦領域で確実にセンサセル電流を検出することが可能となる。その結果、センサ個体差や経時変化等に影響されることなく、ガス濃度を精度良く検出することができる。
【０００９】
上記請求項１の発明はまた、請求項２に記載したように、ポンプセル電圧に対するモニタセル電流の特性上前記チャンバー内の残留酸素量が増加する領域と前記チャンバー内の残留酸素濃度がほぼ一定となる領域とが存在することに基づきモニタセル電流が変化するポンプセル電圧と、前記初期設定したポンプセル電圧との差を、ポンプセル電圧の変化時におけるモニタセル電流の大きさから判断し、その結果に応じてポンプセル電圧の補正を行うものであるとも言える。
【００１０】
また、本発明では請求項３に記載したように、ポンプセル電圧を一方向にのみ一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正すると良い。或いは請求項４に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に一時的に変化させ、その時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正すると良い。特に請求項４の発明では、その都度のポンプセル電圧（初期設定値）とモニタセル電流の変曲点との位置関係が明確になる。従って、モニタセル電流の変曲点がどのように変動してもその検出が可能となる。また、ポンプセル電圧の正負両方向の変化により、モニタセル電流の収束が早められるという利点が得られる。
【００１１】
また、請求項５に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のモニタセル電流の変化量を計測し、正負両方向の各々の電流変化量が一致するかどうかによりポンプセル電圧の補正の要否を判定すると良い。ポンプセル電圧がモニタセル電流の平坦領域で設定され、変曲点に対して余裕がある場合、該ポンプセル電圧を正負両方向に変化させてもそれに伴うモニタセル電流の変化は僅かであって更にその変化量が正負両方向で同等となる。この状態が元々のセンサ特性（センサ初期特性）であれば、このことからポンプセル電圧の補正が不要であると判定できる。そして、モニタセル電流の正負両方向の変化が不均一になった時、ポンプセル電圧の補正要と判定する。
【００１２】
更に、請求項６に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のモニタセル電流の変化量を計測し、センサ初期特性と異なるものであって且つ正負両方向の各々の電流変化量が一致しない場合、モニタセル電流の変化が大きいポンプセル電圧の変化方向とは逆方向にポンプセル電圧を補正すると良い。
【００１３】
上記した電圧補正処理は、主にセンサ個体差や経時変化等の影響を排除するためのものであり、ポンプセル電圧が初期設定値（初期特性）から変更される場合、それは以降の制御に反映されるのが望ましい。そのため、請求項７に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流に応じて電圧補正値を算出し、その電圧補正値をバックアップメモリに記憶保持すると良い。又は、請求項８に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流に応じて電圧補正値を算出し、該電圧補正値により、予め規定した印加電圧特性を更新すると良い。
【００１４】
また、請求項９に記載の発明では、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさを一定範囲内に保つようにしてポンプセル電圧を制御する。かかる場合にも、平坦領域で確実にセンサセル電流を検出することが可能となり、ひいてはガス濃度を精度良く検出することができる。
【００１５】
上記請求項９の発明では請求項１０に記載したように、ポンプセル電圧の変化時にモニタセル電流が前記一定範囲に達しない場合、或いは同モニタセル電流が前記一定範囲を超える場合に、ポンプセル電圧を増加又は減少させると良い。
【００１６】
請求項１１に記載の発明では、ポンプセル電圧を大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する。この場合、ポンプセル電圧の振幅を変更することにより、モニタセル電流の変曲点がどの程度近いかが判断できる。
【００１７】
また、ガス濃度センサが劣化するとセンサ素子の抵抗値（素子インピーダンス）が増大し、そのセンサ劣化時には同じポンプセル電圧で電圧制御を実施していてもチャンバー内の残留酸素量が変動する。実際には酸素排出不足となり、残留酸素量が増加する。それ故、モニタセル電流が急変するポンプセル電圧（モニタセル電流の変曲点）が変化する。そこで、請求項１２に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定すると良い。この場合、ガス濃度センサの劣化が進行すると、ポンプセル電圧の初期設定値に対してモニタセル電流の変曲点が近づく（或いは遠くなる）ことから、センサ劣化が精度良く検出できる。
【００１８】
ここで、請求項１３に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段（請求項１記載の手段）に代えて、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のモニタセル電流の大きさに応じてガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を備える構成としても良い。すなわちこの場合、本発明のガス濃度検出装置がガス濃度センサの劣化検出装置として具現化される。
【００１９】
一方で、ポンプセル電圧（Ｖｐ）とセンサセル電流（Ｉｓ）との関係を示す特性上にあっても、上述したモニタセル電流と同様にセンサセル電流が急変する変曲点が存在し、その変曲点と連携して平坦領域がある（図２（ｂ）のＶｐ−Ｉｓ特性を参照）。そこで、請求項１４に記載の発明では、予め規定した印加電圧特性を用い、その都度のポンプセル電流に応じてポンプセル電圧を初期設定する。そして、前記初期設定したポンプセル電圧を正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する。
【００２０】
センサ特性において、センサ個体差や経時変化等によりポンプセル電圧に対するモニタセル電流やセンサセル電流の特性が変化する場合、初期設定したポンプセル電圧に対してセンサセル電流の変曲点が近づいたり、遠ざかったりすることが考えられる。この場合、ポンプセル電圧を一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさを計測することによりセンサセル電流の変曲点の位置が判断できる。更に、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正することにより、平坦領域で確実にセンサセル電流を検出することが可能となる。その結果、センサ個体差や経時変化等に影響されることなく、ガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２１】
上記請求項１４の発明はまた、請求項１５に記載したように、ポンプセル電圧に対するセンサセル電流の特性上前記チャンバー内の残留酸素量が増加する領域と前記チャンバー内の残留酸素濃度がほぼ一定となる領域とが存在することに基づきセンサセル電流が変化するポンプセル電圧と、前記初期設定したポンプセル電圧との差を、ポンプセル電圧の変化時におけるセンサセル電流の大きさから判断し、その結果に応じてポンプセル電圧の補正を行うものであるとも言える。
【００２２】
また、本発明では請求項１６に記載したように、ポンプセル電圧を一方向にのみ一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正すると良い。或いは請求項１７に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に一時的に変化させ、その時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正すると良い。特に請求項１７の発明では、その都度のポンプセル電圧（初期設定値）とセンサセル電流の変曲点との位置関係が明確になる。従って、センサセル電流の変曲点がどのように変動してもその検出が可能となる。また、ポンプセル電圧の正負両方向の変化により、センサセル電流の収束が早められるという利点が得られる。
【００２３】
また、請求項１８に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のセンサセル電流の変化量を計測し、正負両方向の各々の電流変化量が一致するかどうかによりポンプセル電圧の補正の要否を判定すると良い。ポンプセル電圧がセンサセル電流の平坦領域で設定され、変曲点に対して余裕がある場合、該ポンプセル電圧を正負両方向に変化させてもそれに伴うセンサセル電流の変化は僅かであって更にその変化量が正負両方向で同等となる。この状態が元々のセンサ特性（センサ初期特性）であれば、このことからポンプセル電圧の補正が不要であると判定できる。そして、センサセル電流の正負両方向の変化が不均一になった時、ポンプセル電圧の補正要と判定する。
【００２４】
更に、請求項１９に記載したように、ポンプセル電圧を正負両方向に変化させた時の各々のセンサセル電流の変化量を計測し、センサ初期特性と異なるものであって且つ正負両方向の各々の電流変化量が一致しない場合、センサセル電流の変化が大きいポンプセル電圧の変化方向とは逆方向にポンプセル電圧を補正すると良い。
【００２５】
上記した電圧補正処理は、主にセンサ個体差や経時変化等の影響を排除するためのものであり、ポンプセル電圧が初期設定値（初期特性）から変更される場合、それは以降の制御に反映されるのが望ましい。そのため、請求項２０に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流に応じて電圧補正値を算出し、その電圧補正値をバックアップメモリに記憶保持すると良い。又は、請求項２１に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流に応じて電圧補正値を算出し、該電圧補正値により、予め規定した印加電圧特性を更新すると良い。
【００２６】
また、請求項２２に記載の発明では、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさを一定範囲内に保つようにしてポンプセル電圧を制御する。かかる場合にも、平坦領域で確実にセンサセル電流を検出することが可能となり、ひいてはガス濃度を精度良く検出することができる。
【００２７】
上記請求項２２の発明では請求項２３に記載したように、ポンプセル電圧の変化時にセンサセル電流が前記一定範囲に達しない場合、或いは同センサセル電流が前記一定範囲を超える場合に、ポンプセル電圧を増加又は減少させると良い。
【００２８】
請求項２４に記載の発明では、ポンプセル電圧を大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する。この場合、ポンプセル電圧の振幅を変更することにより、センサセル電流の変曲点がどの程度近いかが判断できる。
【００２９】
また、前述の通りガス濃度センサが劣化するとセンサ素子の抵抗値（素子インピーダンス）が増大し、そのセンサ劣化時には同じポンプセル電圧で電圧制御を実施していてもチャンバー内の残留酸素量が変動する。実際には酸素排出不足となり、残留酸素量が増加する。それ故、センサセル電流が急変するポンプセル電圧（センサセル電流の変曲点）が変化する。そこで、請求項２５に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じて前記ガス濃度センサの劣化度合を判定すると良い。この場合、ガス濃度センサの劣化が進行すると、ポンプセル電圧の初期設定値に対してセンサセル電流の変曲点が近づく（或いは遠くなる）ことから、センサ劣化が精度良く検出できる。
【００３０】
ここで、請求項２６に記載したように、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じてポンプセル電圧を補正する手段（請求項１４記載の手段）に代えて、ポンプセル電圧を一時的に変化させた時のセンサセル電流の大きさに応じてガス濃度センサの劣化度合を判定する手段を備える構成としても良い。すなわちこの場合、本発明のガス濃度検出装置がガス濃度センサの劣化検出装置として具現化される。
【００３１】
また、請求項２７に記載したように、ガス濃度検出期間では、印加電圧特性に基づきポンプセル電圧を制御しつつ定期的に特定ガス成分の濃度を検出するのに対し、前記ガス濃度検出期間とは異なるポンプセル電圧補正期間では、ポンプセル電圧の一時的な変化による当該ポンプセル電圧の補正処理を実施すると良い。この場合、ガス濃度検出期間及びポンプセル電圧補正期間に分けて、ガス濃度検出並びに印加電圧特性又は該特性によるポンプセル電圧の補正が実施されるため、これら各処理が各々適正に実施できる。
【００３２】
請求項２８に記載の発明では、ポンプセル電圧を一時的に変化させる際、その時のモニタセル電流及びセンサセル電流に対してフィルタ処理をかけ、モニタセル電流及びセンサセル電流の応答波形をなまらせる構成としている。この場合、ポンプセル電圧を一時的に変化させる際の影響を受けることなく、モニタセル電流及びセンサセル電流を計測することが可能となる。従って、ポンプセル電圧の補正期間であっても、モニタセル電流やセンサセル電流に基づくガス濃度検出を継続的に実施することができる。
【００３３】
請求項２９に記載の発明では、ガス濃度センサは車両用エンジンから排出される排ガスを検出対象とするセンサであり、少なくともエンジンの始動時又は停止時に前記一連の電圧補正処理、或いは劣化判定の処理を実施する。つまり、本発明における電圧補正処理（又は劣化判定の処理）では、ポンプセル電圧を一時的に変更するため、電圧変更を伴う補正期間（又は劣化判定期間）においてガス濃度検出を中断することが考えられる。従って、エンジンの始動時や停止時といった期間に上記の各処理を実施するのが望ましい。
【００３４】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、この発明を具体化した第１の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、例えば自動車用ガソリンエンジンに適用されるものであって、限界電流式の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ＮＯｘ濃度を検出する。
【００３５】
先ずはじめに、ガス濃度センサの構成を図１を用いて説明する。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。
【００３６】
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は板状をなし、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チャンバー１４４内に導入される。第１チャンバー１４４は、拡散通路としての絞り部１４５を介して第２チャンバー１４６に連通している。符号１４７は多孔質拡散層である。
【００３７】
また、図の下側の固体電解質１４２には、ポンプセル１１０及びモニタセル１２０が設けられており、ポンプセル１１０は、第１チャンバー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、その際に排ガス中の酸素濃度を検出する。モニタセル１２０は、第２チャンバー１４６内の酸素濃度に応じた起電力、又は電圧印加時に電流出力を発生する。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チャンバー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。また、モニタセル１２０も同様に、固体電解質１４２を挟んで上下一対の電極１２１，１２２を有し、そのうち特に第２チャンバー１４６側の電極１２１はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）である。これらポンプセル１１０及びモニタセル１２０は、チャンバー１４４，１４６内に存在する酸素を分解して電極１１２，１２２より大気通路１５０側に排出する。
【００３８】
センサセル１３０は、前記モニタセル１２０に対向して設けられており、固体電解質１４１を挟んで上下一対の電極１３１，１３２を有する。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濃度を検出するものであり、第２チャンバー１４６内でＮＯｘを分解した時に発生する酸素を電極１３２より大気通路１４８側に排出する。
【００３９】
固体電解質１４２の図の下面には絶縁層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。
【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チャンバー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１１０の電極１１１，１１２間に電圧を印加することで分解反応が起こり、第１チャンバー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チャンバー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。
【００４１】
その後、ポンプセル１１０近傍を通過した排ガスは第２チャンバー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、該モニタセル１２０の電極１２１，１２２間に所定の電圧を印加することで、モニタセル電流として検出される。また、センサセル１３０の電極１３１，１３２間に所定の電圧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に流れた電流が排ガス中に含まれるＮＯｘ濃度として検出される。
【００４２】
また、マイコン１７０は、ＣＰＵ、メモリ、Ａ／Ｄ及びＤ／Ａ変換器等を備える周知の論理演算回路で構成されている。ポンプセル１１０、モニタセル１２０及びセンサセル１３０はそれぞれに電源回路を有しており、各電源回路において、ポンプセル電流Ｉｐが電流検出器１７１で測定され、モニタセル電流Ｉｍが電流検出器１７２で測定され、センサセル電流Ｉｓが電流検出器１７３で測定される。これら各電流検出器１７１〜１７３で測定された電流値はそれぞれマイコン１７０に取り込まれる。
【００４３】
マイコン１７０は、電流検出器１７１で測定したポンプセル電流Ｉｐにより排ガス中の酸素濃度を検出すると共に、予め規定した印加電圧特性を用い、ポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐを随時設定する。また、マイコン１７０は、電流検出器１７３で測定したセンサセル電流Ｉｓにより排ガス中のＮＯｘ濃度を検出する。
【００４４】
次に、ガス濃度センサ１００の出力特性について図２を用いて説明する。図２において、（ａ）にはポンプセル電圧Ｖｐに対するポンプセル電流Ｉｐの特性（Ｖｐ−Ｉｐ特性）を示し、（ｂ）には同じくポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓの特性（Ｖｐ−Ｉｍ特性、Ｖｐ−Ｉｓ特性）を示す。なお、図２（ａ），（ｂ）は、酸素濃度及びＮＯｘ濃度が一定のもとでの特性を示す。
【００４５】
図２（ａ）に示すように、ポンプセル１１０に流れるポンプセル電流Ｉｐはポンプセル電圧Ｖｐに対して限界電流特性を有している。限界電流域はＶ軸に対して僅かに右上がりの直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど（リーンであるほど）ポンプセル電流Ｉｐが大きくなる方向にシフトする。限界電流域よりも低Ｖｐ側は抵抗支配域であり、その抵抗支配域の傾きは概ねポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐに一致する。
【００４６】
ポンプセル１１０の印加電圧特性として印加電圧直線ＬＸ１が規定されており、印加電圧直線ＬＸ１上でその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐが可変に制御される。因みに、ポンプセル１１０の電極１１１（第１チャンバー１４４側の電極）はＮＯｘ不活性電極であるが、ポンプセル電圧Ｖｐが大きすぎるとＮＯｘが分解されてしまうことから、印加電圧直線ＬＸ１はポンプセル１１０でＮＯｘガスを分解しないことを条件に設定される。実際には、第１チャンバー１４４内を所定の低酸素濃度（ストイキ近傍）に保持するべく印加電圧直線ＬＸ１が設定されており、例えば数ｐｐｍ〜数１０ｐｐｍ程度の僅かな残留酸素（余剰酸素）が第１チャンバー１４４内に残るようポンプセル電圧Ｖｐが制御される。
【００４７】
また、図２（ｂ）において、ポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍの特性（Ｖｐ−Ｉｍ特性）を見ると、ポンプセル電圧Ｖｐが低い領域ではモニタセル電流Ｉｍが急激に増大し、ポンプセル電圧Ｖｐがある程度高くなるとモニタセル電流Ｉｍがほぼ一定になる。つまり、図２（ａ）の特性からも分かるように低Ｖｐ領域（抵抗支配域）ではポンプセル電流Ｉｐが小さく、第１チャンバー１４４内の残留酸素量が増大する。また、ポンプセル特性の限界電流域ではポンプセル電流Ｉｐがほぼ一定になることから第１チャンバー１４４内の残留酸素量がほぼ一定となる。それ故、ポンプセル電圧Ｖｐに対してモニタセル電流Ｉｍが図示の如く変化する。この場合、モニタセル電流Ｉｍが急変する変曲点（図のＡ）が存在する。なお、モニタセル電流Ｉｍの特性上どこを変曲点とみなすかは、基準となるモニタセル電流Ｉｍの変化率（傾き）を適宜設定し、その基準の変化率を満たすかどうかにより判断されれば良い。
【００４８】
また、ポンプセル電圧Ｖｐに対するセンサセル電流Ｉｓの特性（Ｖｐ−Ｉｓ特性）を見ると、ポンプセル電圧Ｖｐに対して平坦な電流域（平坦領域）があり、その平坦領域ではセンサセル電流Ｉｓが安定する。故に、図の制御点Ｂでポンプセル電圧Ｖｐが制御されれば、排ガス中のＮＯｘ濃度が精度良く検出できる。この場合、モニタセル電流Ｉｍの変曲点Ａは、センサセル電流Ｉｓの平坦領域から僅かに離れて存在している。また、変曲点Ａと制御点Ｂとは「オフセット値」だけ離れており、このオフセット値はセンサ機種毎に固有の数値である。但し、オフセット値は、如何なる基準でモニタセル電流Ｉｍの変曲点が設定されるかに応じて変わるものである。
【００４９】
次に、ガス濃度センサ１００の個体差や経時変化（劣化）等によりポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが増加又は減少した場合について、ガス濃度センサ１００の出力特性を図３，図４を用いて説明する。なお、図３，図４において、実線で示す特性は前記図２で説明した基本特性であり、一点鎖線で示す特性はインピーダンス増加時又は減少時の特性である。
【００５０】
ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが増加した場合、図３（ａ）のようにポンプセル特性が図示の如く傾くため、ポンプセル電流Ｉｐが低下する。すると、第１チャンバー１４４内の残留酸素量が増大することから、図３（ｂ）に示すように、モニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓが一点鎖線のように変化するようになる。この場合、センサセル電流Ｉｓの値が上昇し、センサセル電流Ｉｓの検出精度が低下する。
【００５１】
また、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが減少した場合には、図４（ａ）のようにポンプセル特性が図示の如く立ち上がるため、ポンプセル電流Ｉｐが上昇する。すると、第１チャンバー１４４内の残留酸素量が減少することから、図４（ｂ）に示すように、モニタセル電流Ｉｍ、センサセル電流Ｉｓが一点鎖線のように変化するようになる。この場合、センサセル電流Ｉｓの値が低下し、やはりセンサセル電流Ｉｓの検出精度が低下する。
【００５２】
上記の通り、ポンプセル１１０の素子インピーダンスＲｉｐが不用意に変化すると、センサセル電流Ｉｓの検出精度が低下し、ひいてはＮＯｘ濃度が誤検出されてしまう。これは、素子インピーダンスＲｉｐの変化に伴いセンサセル電流Ｉｓの平坦領域が変動し、所定のポンプセル電圧Ｖｐを印加してもセンサセル電流Ｉｓが正しく検出できないことによる。そこで本実施の形態では、モニタセル電流Ｉｍの変曲点とセンサセル電流Ｉｓの平坦領域との相関関係が素子インピーダンスＲｉｐの変化によらず不変であることに着目し、モニタセル電流Ｉｍの変曲点の位置に応じてポンプセル電圧Ｖｐを制御することを提案する。
【００５３】
すなわち、第１チャンバー１４４内の残留酸素量が変動するとそれに伴いモニタセル電流Ｉｍの変曲点が移動するが、その移動量に応じてポンプセル電圧Ｖｐの設定値（マップ値）を補正する。そして、補正後のポンプセル電圧Ｖｐにより印加電圧制御を実施する。これにより、センサセル電流Ｉｓの平坦領域に対応させてポンプセル電圧Ｖｐを制御し、センサセル電流Ｉｓの検出精度を向上させるようにする。
【００５４】
以下に、ポンプセル１１０の印加電圧制御を詳細に説明する。図５は、ポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャートであり、本処理は、所定時間毎（例えば、数秒毎）の「ポンプセル電圧補正期間」にてマイコン１７０により実施される。ポンプセル電圧補正期間は、ＮＯｘ濃度を検出するためのガス濃度検出期間とは異なる期間に設けられている。つまり、通常のガス濃度検出期間では、印加電圧特性に基づきその時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐが制御されて定期的（例えば４ｍｓｅｃ毎）にＮＯｘ濃度が検出される。また、ポンプセル電圧補正期間では、ＮＯｘ濃度検出が一時的に中断され、センサ個体差や劣化状態に応じてポンプセル電圧Ｖｐが適宜補正される。
【００５５】
図５において、先ずステップ１０１では、図２に示した印加電圧直線ＬＸ１（印加電圧特性）を用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対応するポンプセル電圧Ｖｐを初期設定する（マップ演算する）。そして、そのポンプセル電圧Ｖｐをポンプセル１１０に印加する。また、ステップ１０２では、ポンプセル電圧Ｖｐを所定の振幅ΔＶで正負両側に掃引させ、ステップ１０３では、その都度のモニタセル電流の変化量ΔＩｍを計測する。この場合、例えば２００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数５Ｈｚ以上）でポンプセル電圧Ｖｐを掃引させることとし、より望ましくは１００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数１０Ｈｚ以上）で掃引させると良い。
【００５６】
その後、ステップ１０４では、前記計測したモニタセル電流の変化量ΔＩｍに応じて電圧補正値ＫＶを算出する。このとき、例えば図６の関係を用い、モニタセル電流の変化量ΔＩｍに応じて電圧補正値ＫＶを算出する。最後に、ステップ１０５では、電圧補正値ＫＶを用いて印加電圧特性を補正する。なおこの場合、電圧補正値ＫＶをバックアップＲＡＭやフラッシュＲＯＭ等のバックアップメモリに記憶保持しても良いし、或いは、電圧補正値ＫＶにより印加電圧特性自体を更新しても良い。
【００５７】
上記の如く補正又は更新された結果は、それ以降のＮＯｘ濃度検出時に適用される。すなわち、ガス濃度検出期間におけるポンプセル電圧制御に際し、マイコン１７０は、バックアップＲＡＭ等に格納された電圧補正値ＫＶを用いてポンプセル電圧Ｖｐを補正する。或いは、マイコン１７０は、特性更新済みの印加電圧特性を用い、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐを制御する。
【００５８】
なお上記図５の処理では、ポンプセル電圧Ｖｐを正側及び負側に掃引させた時の各々のモニタセル電流の変化量ΔＩｍ（正側変化量及び負側変化量）が一致するかどうかにより、ポンプセル電圧Ｖｐの補正の要否を判定しても良い。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐがモニタセル電流Ｉｍの平坦領域で設定され、変曲点に対して余裕がある場合、該ポンプセル電圧Ｖｐを正負両方向に変化させてもそれに伴うモニタセル電流Ｉｍの変化は僅かである。この状態が元々のセンサ特性であれば、このことからポンプセル電圧Ｖｐの補正が不要であると判定できる。そして、モニタセル電流Ｉｍの正負両方向の変化が不均一になった時、ポンプセル電圧Ｖｐの補正要と判定する。
【００５９】
次に、上記図５の処理についてその動作手順をより具体的に説明する。図７に示すように、先ず始めに印加電圧特性に基づいてポンプセル電圧Ｖｐとして電圧値Ｖ１が初期設定され、その時の電圧値Ｖ１を基準にポンプセル電圧Ｖｐが正負両側に一時的に振られる。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐに短時間の掃引波形が加えられる。このとき、センサ個体差や経時変化等によりモニタセル電流Ｉｍの特性が変化すると、モニタセル電流Ｉｍの変曲点が電圧値Ｖ１に近づき、Ｖｐ掃引に伴いモニタセル電流Ｉｍが大きく変化する。
【００６０】
例えば電圧値Ｖ１の近くに変曲点が存在しない場合（変曲点が電圧値Ｖ１に近づいていない場合）、図８（ａ）に示すように、Ｖｐ掃引に伴いモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓが僅かに変化する。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの補正が不要であると判断され、その時のポンプセル電圧（印加電圧特性）のまま印加電圧制御が継続される。
【００６１】
これに対し、電圧値Ｖ１の近くに変曲点が存在する場合（変曲点が電圧値Ｖ１に近づいた場合）、図８（ｂ）に示すように、Ｖｐ掃引に伴いモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの変化が正負両側で不均一となる。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの補正が必要であると判断され、その時のポンプセル電圧Ｖｐに対して電圧補正量ＫＶが加算される。上記の処理によれば、モニタセル電流Ｉｍの変曲点から遠ざかる方向（図では正電圧側）にポンプセル電圧Ｖｐが補正されるようになる。
【００６２】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
【００６３】
初期設定したポンプセル電圧Ｖｐを正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正するようにした。この場合、Ｖｐ−Ｉｓ特性上の平坦領域で確実にセンサセル電流Ｉｓを検出することが可能となる。その結果、センサ個体差や経時変化等に影響されることなく、ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を精度良く検出することができる。
【００６４】
ポンプセル電圧Ｖｐを正負両方向に一時的に変化させたので、その都度のポンプセル電圧Ｖｐ（初期設定値）とモニタセル電流Ｉｍの変曲点との位置関係が明確になる。従って、モニタセル電流Ｉｍの変曲点がどのように変動してもその検出が可能となる。更にこの場合、正負両側に変化により、ポンプセル電圧掃引時の電圧の復帰が早くなる。
【００６５】
ガス濃度センサ１００の印加電圧特性が補正又は更新された結果はそれ以降のＮＯｘ濃度検出時に反映されるため、センサ個体差や経時変化等の影響を適正に排除することができる。
【００６６】
ガス濃度検出期間及びポンプセル電圧補正期間に分けて、ガス濃度検出並びに印加電圧特性又は該特性によるポンプセル電圧Ｖｐの補正が実施されるため、これら各処理が各々適正に実施できる。
【００６７】
上記構成に代えて、ポンプセル電圧Ｖｐを一方向にのみ一時的に変化させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正することも可能である。具体的には、図９に示すように、ポンプセル電圧Ｖｐを例えば負側にのみ変化（掃引）させ、その時のモニタセル電流波形に応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正する。
【００６８】
また、本実施の形態において、Ｖｐ掃引時のモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの検出値に対してフィルタ処理をかけ、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの応答波形をなまらせる構成としても良い。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐを一時的に変化（掃引）させる際の影響を受けることなく、モニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓを計測することが可能となる。従って、ポンプセル電圧Ｖｐの補正期間であっても、モニタセル電流Ｉｍやセンサセル電流Ｉｓに基づくガス濃度検出を継続的に実施することができる。
【００６９】
更に、ポンプセル電圧Ｖｐを大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のモニタセル電流Ｉｍの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正するよう構成しても良い。具体的には、図１０に示すように、電圧値Ｖ１を基準に比較的大きな振幅でポンプセル電圧Ｖｐを変化させ（図の丸数字１）、次に同じく電圧値Ｖ１を基準に比較的小さな振幅でポンプセル電圧Ｖｐを変化させる（図の丸数字２）。但し、この１，２どちらを先に振幅させるかは任意である。また、３つ以上の振幅でポンプセル電圧Ｖｐを変化させることも可能である。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの振幅を変更することにより、モニタセル電流Ｉｍの変曲点がどの程度近いかが判断できる。
【００７０】
（第２の実施の形態）
上記実施の形態では、ポンプセル電圧Ｖｐを正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正したが、本実施の形態では、モニタセル電流Ｉｍに代えてセンサセル電流Ｉｓを用い、ポンプセル電圧Ｖｐの補正を実施する。
【００７１】
つまり、図２で説明した通り、ポンプセル電圧Ｖｐに対するモニタセル電流Ｉｍの特性（Ｖｐ−Ｉｍ特性）を見るとモニタセル電流Ｉｍが急変する変曲点が存在するが、ポンプセル電圧Ｖｐに対するセンサセル電流Ｉｓの特性（Ｖｐ−Ｉｓ特性）を見ても同様に、センサセル電流Ｉｓが急変する変曲点が存在する（図２（ｂ）では、点Ａがモニタセル電流Ｉｍの変曲点を示し、点Ｃがセンサセル電流Ｉｓの変曲点を示す）。そこで本実施の形態では、センサセル電流Ｉｓの変曲点と同電流Ｉｓの平坦領域との関係を考慮し、センサセル電流Ｉｓの変曲点の位置に応じてポンプセル電圧Ｖｐを制御することを提案する。その概要として、第１チャンバー１４４内の残留酸素量が変動するとそれに伴いセンサセル電流Ｉｓの変曲点が移動するが、その移動量に応じてポンプセル電圧Ｖｐの設定値（マップ値）を補正する。そして、補正後のポンプセル電圧Ｖｐにより印加電圧制御を実施する。これにより、センサセル電流Ｉｓの平坦領域に対応させてポンプセル電圧Ｖｐを制御し、センサセル電流Ｉｓの検出精度を向上させるようにする。
【００７２】
以下に、ポンプセル１１０の印加電圧制御を詳細に説明する。図１１は、ポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャートであり、本処理は前記図５に置き換えて実施される。
【００７３】
図１１において、先ずステップ２０１では、図２に示した印加電圧直線ＬＸ１（印加電圧特性）を用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対応するポンプセル電圧Ｖｐを初期設定する（マップ演算する）。そして、そのポンプセル電圧Ｖｐをポンプセル１１０に印加する。また、ステップ２０２では、ポンプセル電圧Ｖｐを所定の振幅ΔＶで正負両側に掃引させ、ステップ２０３では、その都度のセンサセル電流の変化量ΔＩｓを計測する。この場合、例えば２００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数５Ｈｚ以上）でポンプセル電圧Ｖｐを掃引させることとし、より望ましくは１００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数１０Ｈｚ以上）で掃引させると良い。
【００７４】
その後、ステップ２０４では、前記計測したセンサセル電流の変化量ΔＩｓに応じて電圧補正値ＫＶを算出する。このとき、例えば図１２の関係を用い、センサセル電流の変化量ΔＩｓに応じて電圧補正値ＫＶを算出する。最後に、ステップ２０５では、電圧補正値ＫＶを用いて印加電圧特性を補正する。なおこの場合、電圧補正値ＫＶをバックアップＲＡＭやフラッシュＲＯＭ等のバックアップメモリに記憶保持しても良いし、或いは、電圧補正値ＫＶにより印加電圧特性自体を更新しても良い。
【００７５】
上記の如く補正又は更新された結果は、それ以降のＮＯｘ濃度検出時に適用される。すなわち、ガス濃度検出期間におけるポンプセル電圧制御に際し、マイコン１７０は、バックアップＲＡＭ等に格納された電圧補正値ＫＶを用いてポンプセル電圧Ｖｐを補正する。或いは、マイコン１７０は、特性更新済みの印加電圧特性を用い、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル電圧Ｖｐを制御する。
【００７６】
なお上記図１１の処理では、ポンプセル電圧Ｖｐを正側及び負側に掃引させた時の各々のセンサセル電流の変化量ΔＩｓ（正側変化量及び負側変化量）が一致するかどうかにより、ポンプセル電圧Ｖｐの補正の要否を判定しても良い。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐがセンサセル電流Ｉｓの平坦領域で設定され、変曲点に対して余裕がある場合、該ポンプセル電圧Ｖｐを正負両方向に変化させてもそれに伴うセンサセル電流Ｉｓの変化は僅かである。この状態が元々のセンサ特性であれば、このことからポンプセル電圧Ｖｐの補正が不要であると判定できる。そして、センサセル電流Ｉｓの正負両方向の変化が不均一になった時、ポンプセル電圧Ｖｐの補正要と判定する。
【００７７】
上記図１１の処理によりポンプセル電圧Ｖｐが正負両側に掃引される形態は、前記図７で説明した通りであり、始めにポンプセル電圧Ｖｐとして電圧値Ｖ１が初期設定され、その時の電圧値Ｖ１を基準にポンプセル電圧Ｖｐが正負両側に一時的に振られる。すなわち、ポンプセル電圧Ｖｐに短時間の掃引波形が加えられる。このとき、センサ個体差や経時変化等によりセンサセル電流Ｉｓの特性が変化していれば、センサセル電流Ｉｓの変曲点が電圧値Ｖ１に近づき、Ｖｐ掃引に伴いセンサセル電流Ｉｓが大きく変化する。
【００７８】
例えば電圧値Ｖ１の近くに変曲点が存在しない場合（変曲点が電圧値Ｖ１に近づいていない場合）、図１３（ａ）に示すように、Ｖｐ掃引に伴いモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓが僅かに変化する。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの補正が不要であると判断され、その時のポンプセル電圧（印加電圧特性）のまま印加電圧制御が継続される。
【００７９】
これに対し、電圧値Ｖ１の近くに変曲点が存在する場合（変曲点が電圧値Ｖ１に近づいた場合）、図１３（ｂ）に示すように、Ｖｐ掃引に伴いモニタセル電流Ｉｍ及びセンサセル電流Ｉｓの変化が正負両側で不均一となる。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの補正が必要であると判断され、その時のポンプセル電圧Ｖｐに対して電圧補正量ＫＶが加算される。上記の処理によれば、センサセル電流Ｉｓの変曲点から遠ざかる方向（図では正電圧側）にポンプセル電圧Ｖｐが補正されるようになる。
【００８０】
以上詳述した本実施の形態によれば、以下に示す効果が得られる。
【００８１】
初期設定したポンプセル電圧Ｖｐを正負少なくとも何れかに一時的に変化させ、その時のセンサセル電流Ｉｓの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正するようにした。この場合、Ｖｐ−Ｉｓ特性上の平坦領域で確実にセンサセル電流Ｉｓを検出することが可能となる。その結果、センサ個体差や経時変化等に影響されることなく、ガス濃度（ＮＯｘ濃度）を精度良く検出することができる。
【００８２】
ポンプセル電圧Ｖｐを正負両方向に一時的に変化させたので、その都度のポンプセル電圧Ｖｐ（初期設定値）とセンサセル電流Ｉｓの変曲点との位置関係が明確になる。従って、センサセル電流Ｉｓの変曲点がどのように変動してもその検出が可能となる。更にこの場合、正負両側に変化により、ポンプセル電圧掃引時の電圧の復帰が早くなる。
【００８３】
ガス濃度センサ１００の印加電圧特性が補正又は更新された結果はそれ以降のＮＯｘ濃度検出時に反映されるため、センサ個体差や経時変化等の影響を適正に排除することができる。
【００８４】
上記構成に代えて、ポンプセル電圧Ｖｐを一方向にのみ一時的に変化させ、その時のセンサセル電流Ｉｓの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正することも可能である。具体的には、図１４に示すように、ポンプセル電圧Ｖｐを例えば負側にのみ変化（掃引）させ、その時のセンサセル電流波形に応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正する。
【００８５】
更に、ポンプセル電圧Ｖｐを大きさの異なる振幅で各々一時的に変化させ、その都度のセンサセル電流Ｉｓの大きさに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正するよう構成しても良い。ここでは図示を省略するが、概ね前記図１０で説明したように、例えば電圧値Ｖ１を基準に比較的大きな振幅でポンプセル電圧Ｖｐを変化させ（図の丸数字１）、次に同じく電圧値Ｖ１を基準に比較的小さな振幅でポンプセル電圧Ｖｐを変化させる（図の丸数字２）。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐの振幅を変更することにより、センサセル電流Ｉｓの変曲点がどの程度近いかが判断できる。
【００８６】
（第３の実施の形態）
次に、本発明における第３の実施の形態について説明する。上記第１の実施の形態では、ポンプセル電圧Ｖｐを所定の振幅ΔＶで掃引した場合のモニタセル電流の変化量ΔＩｍに応じてマップの電圧補正値ＫＶを決定し、ポンプセル電圧Ｖｐを決定していたが、本実施の形態ではモニタセル電流の変化量ΔＩｍを一定の範囲に保つことによりポンプセル電圧Ｖｐの制御を行う。
【００８７】
図１５は、本実施の形態におけるポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャートであり、本処理は前記図５等に置き換えて実施される。
【００８８】
図１５において、先ずステップ３０１では、図２に示した印加電圧直線ＬＸ１（印加電圧特性）を用い、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対応するポンプセル電圧Ｖｐを初期設定する。ステップ３０２で一定時間経過するまで待機した後、ステップ３０３でポンプセル電圧Ｖｐを所定の振幅ΔＶで正負両側に掃引させ、ステップ３０４ではその都度のモニタセル電流の変化量ΔＩｍを計測する。この場合、例えば２００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数５Ｈｚ以下）でポンプセル電圧Ｖｐを掃引させることとし、より望ましくは１００ｍｓｅｃ以下の周期（周波数１０Ｈｚ以上）で掃引させると良い。
【００８９】
その後、ステップ３０５では、前記計測したモニタセル電流Ｉｍの変化が制御下限値（モニタセル電流の変化量ΔＩｍを制御する目標範囲の下限値）よりも小さいか否かを判別する。そして、制御下限値よりも小さければ変曲点から離れすぎているとの判断から、ステップ３０６に進み、負の補正値を出力する。この補正値は、その都度のポンプセル電流Ｉｐに対応するポンプセル電圧Ｖｐを初期設定するマップ（印加電圧直線ＬＸ１）からの増減値を言う。
【００９０】
また、ステップ３０５でモニタセル電流Ｉｍの変化が制御下限値以上であればステップ３０７に進む。ステップ３０７では、前記計測したモニタセル電流Ｉｍの変化が制御上限値（モニタセル電流の変化量ΔＩｍを制御する目標範囲の上限値）よりも大きいか否かを判別する。そして、制御上限値よりも大きければ変曲点に近すぎているとの判断から、ステップ３０８に進み、正の補正値を出力する。
【００９１】
上記図１５での動作を波形で示すと図１６のようになる。（ａ）は、その時のポンプセル電圧値が変曲点から離れすぎているためにモニタセル電流Ｉｍの変化が制御下限値よりも小さく、図１５のステップ３０５においてＹＥＳと判定される場合の動作を示す。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐが補正値分だけ減じられる。（ｂ）は、ポンプセル電圧値が変曲点から適正に離れているためにモニタセル電流Ｉｍの変化が目標範囲に入っており、図１５のステップ３０５，３０７の何れにおいてもＮＯと判定された場合の動作を示す。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐがそのまま維持される。また、（ｃ）は、ポンプセル電圧値が変曲点から近すぎているためにモニタセル電流Ｉｍの変化が制御上限値を超え、図１５のステップ３０７においてＹＥＳと判定された場合の動作を示す。この場合、ポンプセル電圧Ｖｐが補正値分だけ増やされる。
【００９２】
制御を行う際に使用される補正値は、予め決められた値（例えば１ｍＶ程度から１００ｍＶ程度）であっても良いし、モニタセル電流の変化量ΔＩｍにより決定されても良い。また、モニタセル電流の変化を監視する一定範囲は、モニタセル電流Ｉｍのレベルによって変更されるものであるが、一例として０．１〜０．２μＡ程度で設定される。
【００９３】
このようにして、モニタセル電流Ｉｍの変化を一定の目標範囲に保つことにより、センサ個体差や劣化等によるモニタセル電流Ｉｍの変曲点の移動に応じたマップ値の補正が実現できる。
【００９４】
上記第３の実施の形態において、モニタセル電流Ｉｍの変化に代えてセンサセル電流Ｉｓの変化を監視し、そのセンサセル電流Ｉｓの変化を一定の範囲に保つことによりポンプセル電圧Ｖｐの制御を行う構成とすることも可能である。その実施にあっては概ね上記図１５の実施手順に沿えば良く、ここではその図示及び詳細な説明を割愛する。かかる場合、センサセル電流Ｉｓの変化を一定の目標範囲（制御下限値〜制御上限値の間）に保つことにより、センサ個体差や劣化等によるセンサセル電流Ｉｓの変曲点の移動に応じたマップ値の補正が実現できる。
【００９５】
（第４の実施の形態）
本実施の形態では、本発明のガス濃度検出装置を用い、モニタセル電流Ｉｍの変曲点に基づいてガス濃度センサ１００の劣化度合を検出することを提案する。要するに、ガス濃度センサ１００の劣化時にはモニタセル電流Ｉｍの変曲点が変化し、その劣化度合が大きくなるほど、変曲点の変化も大きくなる。この場合、図１７に示すように、センサ劣化の進行に伴い、モニタセル電流Ｉｍの変曲点がポンプセル電圧Ｖｐの高電圧側に移動する。図１７では、モニタセル電流Ｉｍの変曲点がＭ１からＭ２に移動した事例を示す。
【００９６】
ガス濃度センサ１００の劣化判定に際し、マイコン１７０は、ポンプセル電圧Ｖｐを正負少なくとも何れかに一時的に変化（掃引）させ、その時のモニタセル電流Ｉｍの大きさからガス濃度センサ１００の劣化度合を判定する。一例として、マイコン１７０は、モニタセル電流Ｉｍが大きいほどＩｍ変曲点が近づいたとみなし、センサ劣化度合が大きい旨判定する。そして、センサ劣化度合が許容レベルを超えていれば、警告ランプ等によりセンサ劣化の旨をユーザに警告する。本実施の形態では、センサ劣化が精度良く検出できる。
【００９７】
上記の如くガス濃度センサ１００の劣化度合を検出する場合、モニタセル電流Ｉｍではなく、センサセル電流Ｉｓの変曲点の変化に応じて劣化判定する構成であっても良い。この場合、図１８に示すように、センサ劣化の進行に伴い、センサセル電流Ｉｓの変曲点がポンプセル電圧Ｖｐの高電圧側に移動する。図１８では、センサセル電流Ｉｓの変曲点がＳ１からＳ２に移動した事例を示す。つまり、ガス濃度センサ１００の劣化判定に際し、マイコン１７０は、ポンプセル電圧Ｖｐを正負少なくとも何れかに一時的に変化（掃引）させ、その時のセンサセル電流Ｉｓの大きさからガス濃度センサ１００の劣化度合を判定する。一例として、マイコン１７０は、センサセル電流Ｉｓが大きいほどＩｓ変曲点が近づいたとみなし、センサ劣化度合が大きい旨判定する。
【００９８】
ここで、本発明をガス濃度センサの劣化検出装置として具現化することも可能である。すなわち、掃引時のモニタセル電流Ｉｍ又はセンサセル電流Ｉｓに応じてポンプセル電圧Ｖｐを補正する補正手段を持たず、ガス濃度センサ１００の劣化度合を判定する構成のみを持つ装置として実現しても良い。
【００９９】
なお本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
【０１００】
上記実施の形態では、印加電圧特性として図２の印加電圧直線ＬＸ１を規定したが、この印加電圧特性は他の形態のものであっても良い。例えば、ポンプセル電圧Ｖｐを固定値とする特性や、同ポンプセル電圧Ｖｐを酸素濃度レベルに応じて段階的に設定する特性としても良い。
【０１０１】
エンジンの始動時又は停止時にのみ、一連の電圧補正処理（図５等のポンプセル電圧補正処理）、或いはセンサの劣化判定処理を実施する構成としても良い。この場合、ガス濃度検出を中断することなく、ポンプセル電圧Ｖｐの補正処理や劣化判定処理を実施することが可能となる。
【０１０２】
ガス濃度センサとして、３つのセルを有するセンサ構造以外に、４つ以上のセルを有するセンサ構造を採用しても良く、このセンサを用いる場合にも既述の優れた効果を奏することができる。具体的には、ポンプセルを２つ以上に分割して設ける構造等であっても良い。
【０１０３】
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酸素を排出し、センサセルにて酸素排出後のガス成分から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。かかる構成においても、本発明を適用することによりガス濃度の検出精度が向上する。
【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。
【図２】  ガス濃度センサの出力特性を示す図。
【図３】  ガス濃度センサの出力特性を示す図。
【図４】  ガス濃度センサの出力特性を示す図。
【図５】  ポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャート。
【図６】  電圧補正値ＫＶを設定するための図。
【図７】  ポンプセル電圧に対するモニタセル電流の変化を示す特性図。
【図８】  ポンプセル電圧の変化に伴うモニタセル電流、センサセル電流の変化を示すタイムチャート。
【図９】  ポンプセル電圧の変化に伴うモニタセル電流、センサセル電流の変化を示すタイムチャート。
【図１０】  ポンプセル電圧に対するモニタセル電流の変化を示す特性図。
【図１１】  第２の実施の形態におけるポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャート。
【図１２】  電圧補正値ＫＶを設定するための図。
【図１３】  ポンプセル電圧の変化に伴うモニタセル電流、センサセル電流の変化を示すタイムチャート。
【図１４】  ポンプセル電圧の変化に伴うモニタセル電流、センサセル電流の変化を示すタイムチャート。
【図１５】  第３の実施の形態におけるポンプセル電圧の補正手順を示すフローチャート。
【図１６】  ポンプセル電圧の変化に伴うモニタセル電流の変化を示すタイムチャート。
【図１７】  ガス濃度センサの出力特性を示す図。
【図１８】  ガス濃度センサの出力特性を示す図。
【符号の説明】
１００…ガス濃度センサ、
１１０…ポンプセル、
１２０…モニタセル、
１３０…センサセル、
１４４…第１チャンバー、
１４６…第２チャンバー、
１７０…マイコン。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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