JP4005273B2 - ガス濃度検出装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば自動車用エンジンから排出される排ガス中の特性成分の濃度を検出するガス濃度センサを用いたガス濃度検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
自動車等のエンジンは多くの排ガスを排出するが、この排ガスを原因とする大気汚染は現代社会に深刻な問題を引き起こしており、排ガス中の公害物質に対する浄化基準法規が年々厳しくなってきている。そのため、ガソリン若しくはディーゼルエンジンに対する燃焼制御や触媒コンバータを利用し、排ガス中の公害物質を低減するための検討が進められている。米国においては、ＯＢＤ−II（On Board Diagnostic −II）規制にて排ガス浄化用の触媒が適切であるかどうか判定する機能を要求している。
【０００３】
これに対し、触媒の上流側及び下流側に２つのＯ2 センサを設けてこの２つのＯ2 センサの検出結果を取り込む、いわゆる２Ｏ2 センサモニタシステムが導入されているが、この方法は公害物質の直接的な検出方法ではない。そのため、排ガス中の成分から公害物質が事実低減されたか否かといった、その正確な検出・判定が困難であった。
【０００４】
仮に排ガス中のＮＯｘ濃度を直接検出することで燃焼制御モニタ、触媒モニタ等が可能となれば、排ガス中の公害物質の低減がより正確で効果的なものとなる。すなわち、排ガス中のＮＯｘ濃度の知見により燃料噴射やＥＧＲ率などがフィードバック制御できれば、エンジンから排出される公害成分を低減することができる。また、ＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサを排ガス浄化用の触媒コンバータよりも下流側に設けることにより、当該コンバータに担持された触媒の劣化を容易に判定することも可能となる。
【０００５】
このような背景から、排ガス中のＮＯｘ濃度を精度良く検出することのできるＮＯｘセンサを提供すると共に、同ＮＯｘセンサを車両用エンジンに搭載する技術が望まれている。
【０００６】
また、ＮＯｘ濃度の検出と同時に排ガス中の酸素濃度が検出できれば、空燃比フィードバック制御システムにも効果を発揮することができる。つまり、近年の車両用エンジンの空燃比制御においては、例えば制御精度を高める要望やリーンバーン化への要望があり、これらの要望に対応すべくエンジンに吸入される混合気の空燃比（排ガス中の酸素濃度）を広域に且つリニアに検出するセンサ及び装置も望まれている。
【０００７】
ここで、ＮＯｘ濃度の検出と同時に酸素濃度の検出が可能な、いわゆる複合型ガスセンサとしてのガス濃度センサの構成を図２３を用いて説明する。図２３のガス濃度センサは、酸素濃度を検出するためのポンプセルと、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセルとを有し、２セル構造を持つものとして構成される。
【０００８】
図２３において、ガス濃度センサ１００は、ポンプセル１１０、多孔質拡散層１０１、センサセル１２０、大気ダクト１０２及びヒータ１０３を要件とし、これら各部材が積層されて成る。なお、同センサ１００は図の右端部にてエンジン排気管に取り付けられ、その上下面及び左面が排ガスに晒されるようになっている。
【０００９】
より詳細には、ポンプセル１１０は多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設置される。ポンプセル１１０の排ガス側（図の上側）にはポンプ第１電極１１１が設置され、多孔質拡散層１０１側（図の下側）にはポンプ第２電極１１２が設置される。また、センサセル１２０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設置される。センサセル１２０の多孔質拡散層１０１側（図の上側）にはセンサ第１電極１２１が設置され、大気ダクト１０２側（図の下側）にはセンサ第２電極１２２が設置される。そして、多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガスが導入されて図の右方へと流通する。
【００１０】
ポンプセル１１０及びセンサセル１２０は積層して形成された固体電解質を有し、これら固体電解質はＺｒＯ2 、ＨｆＯ2 、ＴｈＯ2 、Ｂｉ2 Ｏ3 等にＣａＯ、ＭｇＯ、Ｙ2 Ｏ3 、Ｙｂ2 Ｏ3 等を安定剤として固溶させた酸素イオン伝導性酸化物焼成体からなる。また、多孔質拡散層１０１は、アルミナ、マグネシャ、ケイ石質、スピネル、ムライト等の耐熱性無機物質からなる。
【００１１】
ポンプセル１１０の排ガス側のポンプ第１電極１１１と、センサセル１２０のセンサ第１，第２電極１２１，１２２とは、白金Ｐｔ等の触媒活性の高い貴金属からなる。一方、ポンプセル１１０の多孔質拡散層１０１側のポンプ第２電極１１２は、ＮＯｘガスに不活性な（ＮＯｘガスを分解し難い）Ａｕ−Ｐｔ等の貴金属からなる。
【００１２】
ヒータ１０３は絶縁層１０４に埋設され、この絶縁層１０４とセンサセル１２０との間に大気ダクト１０２が構成される。基準ガス室を構成する大気ダクト１０２には外部から大気が導入され、その大気は酸素濃度の基準となる基準ガスとして用いられる。絶縁層１０４はアルミナ等にて形成され、ヒータ１０３は白金とアルミナ等のサーメットにて形成される。ヒータ１０３はポンプセル１１０やセンサセル１２０を含めセンサ全体（電極含む）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。
【００１３】
上記構成のガス濃度センサ１００についてその動作を図２４を用いて説明する。図２４（ａ）に示されるように、多孔質拡散層１０１には図の左側から排ガス成分が導入され、その排ガスがポンプセル近傍を通過する際、ポンプセル１１０に電圧を印加することで分解反応が起こる。なお、排ガス中には酸素（Ｏ2 ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）、二酸化炭素（ＣＯ2 ）、水（Ｈ2 Ｏ）等のガス成分が含まれる。
【００１４】
既述の通りポンプセル１１０のポンプ第２電極１１２はＮＯｘ不活性電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）で形成されている。従って、図２４（ｂ）に示されるように、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）のみがポンプセル１１０で分解され、ポンプ第１電極１１１から排ガス中に排出される。このとき、ポンプセル１１０に流れた電流が排ガス中に含まれる酸素濃度として検出される。
【００１５】
また、排ガス中の酸素（Ｏ2 ）はポンプセル１１０で完全に分解されず、その一部はそのままセンサセル近傍まで流通する。そして、図２４（ｃ）に示されるように、センサセル１２０に電圧を印加することにより、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとが分解される。つまり、残留酸素（Ｏ2 ）とＮＯｘとがそれぞれセンサセル１２０のセンサ第１電極１２１で分解され、センサセル１２０を介してセンサ第２電極１２２から大気ダクト１０２の大気中に排出される。このとき、センサセル１２０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。残留酸素（Ｏ2 ）による分解電流はオフセット電流となる。
【００１６】
次に、酸素濃度を検出するためのポンプセル１１０の特性と、ＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル１２０の特性とについて、図２５〜図２７を用いて説明する。先ずは、ポンプセル特性を図２５を用いて説明する。
【００１７】
図２５のＶ−Ｉ特性図に示されるように、ポンプセル特性は酸素濃度に対して限界電流特性を有する。なお、横軸のＶｐはポンプセル印加電圧を示し、縦軸のＩｐはポンプセル電流を示す。同図において、限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線部分からなり、その領域は酸素濃度が濃いほど正電圧側にシフトする。
【００１８】
ここで、酸素濃度が変化する際に印加電圧が一定値に固定されていると、上記限界電流検出域（Ｖ軸に平行な直線部分）を用いた正確な酸素濃度検出を行うことができない。またこれは、ポンプセル１１０で十分量の酸素を排出することができないことにもなり、センサセル１２０での残留酸素が増加し、ＮＯｘ濃度を検出するための電流にも大きな誤差を生じる。そこで、ポンプセルの直流抵抗成分（印加電圧増加に伴い増加する傾き部分）の角度と同等の電圧、すなわち図２５の印加電圧線ＬＸ１に示すような電圧を印加する制御を行い、排ガス中の酸素濃度に関係なく常に所望のセンサ電流（限界電流）を検出可能とする。因みに、ポンプセル１１０のポンプ第２電極１１２（多孔質拡散層１０１側の電極）がＮＯｘ不活性電極であるために同ポンプセル１１０ではＮＯｘガスが分解されにくくなっているが、図２５に示した通り一定の電圧以上になると、ＮＯｘが分解され、酸素濃度に応じたポンプセル電流に加えてＮＯｘ濃度に応じたポンプセル電流が流れる（図２５の破線部分）。従って、印加電圧線ＬＸ１はＮＯｘガスを分解しない程度に設計される。
【００１９】
次に、センサセル特性を図２６を用いて説明する。図２６のＶ−Ｉ特性図に示されるように、センサセル特性はＮＯｘ濃度に対して限界電流特性を有する。なお、横軸のＶｓはセンサセル印加電圧を示し、縦軸のＩｓはセンサセル電流を示す。同図において、限界電流検出域はＶ軸に対して平行な直線部分からなり、その領域はＮＯｘ濃度が濃いほど僅かながら正電圧側にシフトする。ＮＯｘ濃度を検出する際、図２６の印加電圧線ＬＸ２に沿って印加電圧を制御することで、排ガス中のＮＯｘ濃度に関係なく常に所望のセンサ電流（限界電流）が検出可能となる。
【００２０】
またここで、上記ガス濃度センサ１００について、排ガスがリッチガスである時のセンサ出力特性を考える。リッチガスの場合、前述の通りポンプセル１１０が多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設置されるため、ポンプセル１１０では排ガス側から多孔質拡散層１０１側へ酸素イオンを流すことはできず（負の限界電流を流すことはできず）、限界電流特性は得られない。つまり、ポンプ第１電極１１１からポンプ第２電極１１２に電流が流れるように電圧を印加しても（この時の印加電圧を「正電圧」とする）、或いはポンプ第２電極１１２からポンプ第１電極１１１に電流が流れるように電圧を印加しても（この時の印加電圧を「負電圧」とする）、限界電流特性は示さない。因みに、リッチガスの場合にポンプセル１１０に負電圧を印加すると排ガス中のＨ2 ＯやＣＯ等の物質が分解され、酸素イオンがポンプ第１電極１１１からポンプ第２電極１１２に排出される。また、正電圧を印加すると、やはり排ガス中のＨ2 ＯやＣＯ等が分解されて逆方向に電流が流れる。
【００２１】
また同じくリッチガスの場合、センサセル１２０が多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設置されるため、センサセル１２０では大気ダクト１０２内の酸素がセンサ第２電極１２２からセンサ第１電極１２１へ移動し、この時の酸素イオンの流れに伴い限界電流特性が得られる。その特性を図２７に示す。この場合、リッチガス領域では、空燃比のリッチ度合に応じた限界電流特性が得られ、その電流値はＮＯｘ濃度に応じた電流値に比べ非常に大きいものとなる（数１０倍程度）。
【００２２】
図２８は、センサ制御装置の構成を示す回路図である。図２８において、ポンプ第２電極１１２及びセンサ第１電極１２１は共通端子としてＧＮＤに接地される。印加電圧指令回路４７０から出力される電圧指令信号Ｖｈは増幅回路４７１の非反転入力端子に入力される。増幅回路４７１の出力端子（Ｖｉ信号）は、ポンプセル電流Ｉｐを検出するための抵抗４７２を介してポンプ第１電極１１１に接続される。ポンプ第１電極１１１の電圧Ｖｈは増幅回路４７１の反転入力端子に入力（フィードバック）されるため、印加電圧指令回路４７０からの指令信号Ｖｈはポンプ第１電極１１１の電圧Ｖｈと同一になり、同指令信号Ｖｈによりポンプ第１電極１１１の電圧（ポンプセル電圧）が制御される。
【００２３】
従って、排ガス中の酸素濃度に応じて流れるポンプセル電流Ｉｐは、抵抗４７２の両端子電圧Ｖｉ，Ｖｈとして出力され、
Ｉｐ＝（Ｖｉ−Ｖｈ）／Ｒ２１
として検出される。但し、Ｒ２１は抵抗４７２の抵抗値である。例えば排ガスに酸素が多く含まれる程、電圧差（Ｖｉ−Ｖｈ）は大きくなり、排ガスの酸素濃度が低い程、電圧差（Ｖｉ−Ｖｈ）は小さくなる。
【００２４】
この場合、印加電圧指令回路４７０は、図２５中の印加電圧線ＬＸ１を用い、前記の通り検出したポンプセル電流Ｉｐに対応する目標印加電圧を設定する。そして、その目標印加電圧を電圧指令信号Ｖｈとして出力する。
【００２５】
一方、センサセル１２０のセンサ第２電極１２２は、ＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓを検出するための抵抗４７３を介して電源４７４のプラス端子に接続される。排ガス中のＮＯｘ濃度に応じて流れるセンサセル電流Ｉｓは抵抗４７３の両端子電圧Ｖｋ，Ｖｊから検出可能であり、
Ｉｓ＝（Ｖｋ−Ｖｊ）／Ｒ２２
として検出される。但し、Ｒ２２は抵抗４７３の抵抗値である。
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
エンジンの排ガスは運転状態により変動し、リーン状態からリッチ状態まで広域に変化する。リーンガスの場合（酸素過剰の場合）、前述の通りポンプセル１１０やセンサセル１２０には正の限界電流が流れる。これに対し、リッチガスの場合（酸素欠乏の場合）、センサセル１２０にはその時の空燃比に応じて負の限界電流が流れるため、その負電流が流れるよう当該センサセル１２０に適正な電圧を印加しなくてはならない。しかしながら、既述した通りセンサセル１２０の負側端子として規定されるセンサ第１電極１２１が前記図２８のようにＧＮＤ接地されると、センサセル１２０に負電流が流せないために多孔質拡散層１０１にリッチガスが滞留するという不具合が生ずる。因みに、自動車のバッテリ電源は一般に単電源（１２Ｖ系又は２４Ｖ系）であって負の電源を持たないため、電源電圧の変化だけでは負電圧の印加は不可能であった。
【００２７】
また、リッチガスの場合には大気中から多孔質拡散層１０１内に酸素が供給できないために、同拡散層１０１内の酸素濃度のバランスが崩れる（同拡散層内の酸素濃度がストイキ状態に保てない）。これにより、排ガスがリッチからリーンに変化する時、多孔質拡散層１０１内がストイキ状態に復帰する迄に時間がかかると共に、その際に酸素濃度とＮＯｘガス濃度とが正確に検出できない時間ができてしまう（構造によって１秒間から数秒間）。すなわち、酸素濃度やＮＯｘ濃度の検出精度が悪化し、ひいてはエンジンの空燃比フィードバック制御に支障を来すという問題が生じる。エンジンの排ガスは、走行状態に応じて１〜２秒でリッチ⇔リーンを繰り返す場合もあり、制御不能になる場合が発生する。
【００２８】
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、ガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、ガス濃度出力の応答遅れを改善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。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載のガス濃度検出装置は、被検出ガスを導入するためのガス導入部に対向し、電圧印加に伴いガス導入部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セルと、同じく前記ガス導入部に対向し、電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セルとを備え、前記第１，第２セルの少なくとも一方が基準ガス室に面して設けられるとともに、それら第１セルから流れる電流及び第２セルから流れる電流を各別の抵抗を介して検出する複合型ガス濃度センサを用いることを前提とする。
【００３０】
また特徴的な構成として、前記ガス導入部側から第１セルを介して余剰酸素が排出される時に正側端子となる前記第１又は第２セルの端子に接続され、当該セルにより検出される電流値に応じて設定される電圧を当該セルに印加する電圧印加手段と、前記第１，第２セルのうち、前記基準ガス室に面するセルの負側端子に接続され、被検出ガスがリッチガスである時に前記ガス導入部の内部をストイキ状態に保つように該負側端子を０Ｖ電圧から浮かすための基準電圧生成手段とを備える。
【００３１】
要するに、電圧印加手段により第１又は第２セルにて検出される電流値に応じてセンサの印加電圧を設定することで、センサ出力特性の限界電流検出域（図２５又は図２６のＶ軸に平行な直線部分）にて常にガス濃度が検出できる。また、基準電圧生成手段により第１及び第２セルの負側端子を０Ｖ電圧から浮かすことで、第１及び第２セルにおいて負側端子から正側端子へ電流を流すことができる。つまり、正負両端子間では正負何れの方向の電流も流すことが可能となる。
【００３２】
より詳細には、被検出ガスが酸素過剰の場合（リーンガスの場合）、正側端子から負側端子へ電流が流れるのは勿論のこと、被検出ガスが酸素欠乏の場合（リッチガスの場合）において負側端子から正側端子へ電流が流れる。これにより、リーンガスの場合のみならず、リッチガスに対してもガス導入部のガス濃度を一定に保つ（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことができる。その結果、リッチガスの検出を可能にしてガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、リッチガスからリーンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【００３３】
一方、請求項２に記載のガス濃度検出装置は、被検出ガスを導入するためのガス導入部に対向し、電圧印加に伴いガス導入部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セルと、同じく前記ガス導入部に対向し、電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セルとを備えるとともに、それら第１セルから流れる電流及び第２セルから流れる電流を各別の抵抗を介して検出する複合型ガス濃度センサを用いることを前提とする。
【００３４】
また特徴的な構成として、前記ガス導入部側から第１セルを介して余剰酸素が排出される時に正側端子となる前記第１又は第２セルの端子に接続され、当該セルにより検出される電流値に応じて設定される電圧を当該セルに印加する電圧印加手段と、前記第１及び第２セルの負側端子に接続され、被検出ガスがリッチガスである時に前記ガス導入部の内部をストイキ状態に保つように該負側端子を０Ｖ電圧から浮かすための基準電圧生成手段とを備える。
【００３５】
かかる場合にもやはり、基準電圧生成手段により第１及び第２セルの負側端子を０Ｖ電圧から浮かすことで、第１及び第２セルにおいて負側端子から正側端子へ電流を流すことができる。つまり、正負両端子間では正負何れの方向の電流も流すことが可能となる。その結果、上記請求項１と同様に、ガス導入部内のガス濃度を一定に保つことができ、ガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【００３６】
より具体的には、請求項３に記載したように、前記基準電圧生成手段は、被検出ガス中の酸素が欠乏する時に前記電圧印加手段により印加される電圧値よりも高い値となる基準電圧を前記第１，第２セルの負側端子に印加することを可能とする。これにより、上記作用効果が一層確かに得られる。
【００３７】
特に請求項４に記載したように、ガス濃度センサには単電源により電圧が印加される構成、或いは請求項５に記載したように、ガス濃度センサには車載バッテリにより電圧が印加される構成では、片側の極（正極）でしか電圧が印加できないが、かかる構成においてリーンガスのみならずリッチガスでもガス濃度検出が可能となる。つまり、印加電圧を正極と負極とで入れ替えなくとも、ガス濃度を広域で検出できる。
【００３８】
請求項６に記載の発明では、前記第１及び第２セルの正側端子にはガス濃度を検出するための電流検出抵抗が接続されると共に、前記第１及び第２セルの負側端子には当該セルのインピーダンスを検出するための電流検出抵抗が接続される。
【００３９】
つまり、ガス濃度検出装置において、第１及び第２の各セルに流れる電流値に応じてガス濃度を検出することに加え、各セルのインピーダンスを検出しようとする場合、同装置の回路構成上、インピーダンス検出のためにガス濃度検出用の抵抗値が小さくなり、それによりガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった不都合が生ずる。これに対し請求項６の構成によれば、ガス濃度検出用の電流検出抵抗とインピーダンス検出用の電流検出抵抗とを別個に設けることにより、ガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった既述の不都合が回避される。従って、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【００４０】
請求項７に記載の発明では、前記第１及び第２セルの正側端子にはガス濃度を検出するための電流検出抵抗が接続されると共に、該電流検出抵抗の両端電圧が増幅回路に入力されてその電圧範囲が前記増幅回路の増幅率にて制限される。
【００４１】
請求項７の通り電流検出抵抗の両端電圧の範囲が増幅回路の増幅率にて制限されることで、上述したようにインピーダンス検出のためにガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約される、といった不都合が回避される。従って、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【００４２】
ところで、被検出ガス中の酸素が欠乏している場合（リッチガスの場合）、基準ガス側からガス導入部側へその間のセル（第１又は第２セル）を介して酸素が流れそれによりガス濃度が検出されるが、ガス導入部側へ流入した酸素の一部は、他方のセルを介して被検出ガス側に排出される。このとき、前記他方のセルを介して被検出ガス側に排出される酸素が存在するために、その分だけガス濃度に対応する電流出力が大きめの値を示す。つまり、二つのセル間で出力が干渉し、それに伴いガス濃度の検出精度が低下してしまう。そこで、こうした不具合を解消すべく、以下の請求項８，請求項９を提案する。
【００４３】
請求項８に記載の発明では、被検出ガスがリッチガスである時に、前記ガス導入部と被検出ガス側との間のセルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンをなくすべく、該当する第１又は第２セルへの印加電圧を調整する。例えば該当する第１又は第２セルへの印加電圧を０Ｖにする。
【００４４】
要するに、被検出ガスがリッチガスである時、該当する第１又は第２セルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンが強制的に抑制される。そのため、基準ガス側からガス導入部側へその間のセル（第１又は第２セル）を介して酸素が流入する量と、該ガス導入部側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。これにより、セル間での出力干渉が防止でき、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【００４５】
請求項９に記載の発明では、前記ガス導入部側から被検出ガス側への酸素イオンの流れを制御するための第１又は第２セルに、電気経路を開放又は閉鎖するためのスイッチ回路を接続し、被検出ガスがリッチガスである時に、前記ガス導入部と被検出ガス側との間のセルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンをなくすべく、前記スイッチ回路を開放する。
【００４６】
かかる場合にも、被検出ガスがリッチガスである時に、該当する第１又は第２セルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンが強制的に抑制される。そのため、基準ガス側からガス導入部側へその間のセル（第１又は第２セル）を介して酸素が流入する量と、該ガス導入部側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。これにより、セル間での出力干渉が防止でき、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【００４７】
【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、自動車用ガソリンエンジンに適用されるものであって、同エンジンの空燃比制御システムにおいてはガス濃度検出装置による検出結果に基づいてエンジンへの燃料噴射量を所望の空燃比（Ａ／Ｆ）でフィードバック制御する。特に本実施の形態では、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を用い、同センサからガス濃度情報を取得することとしている。
【００４８】
つまり本実施の形態の装置では、検出した酸素濃度により空燃比がフィードバック制御される一方、検出したＮＯｘ濃度によりエンジン排気管に取り付けられたＮＯｘ触媒（例えばＮＯｘ吸蔵還元型触媒）の制御が実施される。ＮＯｘ触媒の制御について略述すれば、ＮＯｘ触媒にて浄化されずに排出されるＮＯｘ量をガス濃度センサの検出結果から判定し、ＮＯｘ未浄化量が増大した時に、ＮＯｘ浄化能力を回復させるための再生処理を実行する。再生処理としては、ＮＯｘ触媒に対して一時的にリッチガスを供給し、同触媒に吸着したイオンを除去するようにすればよい。
【００４９】
図１は、ガス濃度検出装置の全体構成図であり、同検出装置は大きくはガス濃度センサ１００と制御回路２００とから構成される。ガス濃度センサ１００は、前述した図２３の２セル構造のセンサを使うこととし、その構造、動作原理、出力特性については上述したのでここではその説明を省略する。ガス濃度センサ１００には図示しない車載バッテリにより電圧が印加される。なお周知の通り、車載バッテリは単電源（１２Ｖ系又は２４Ｖ系）であり、負電源を持たない。また、制御回路２００は以下の通り構成される。
【００５０】
図１の構成においては、ガス濃度センサ１００のガス導入部としての多孔質拡散層１０１にリーンガスが導入されて同拡散層１０１側からポンプセル１１０を介して余剰酸素が排出される時を基準に（その時のポンプセル電流Ｉｐの向きを基準に）、ポンプセル１１０の正側端子及び負側端子が規定される。つまり、ポンプ第１電極１１１に接続される端子が正側端子、ポンプ第２電極１１２に接続される端子が負側端子として規定される。センサセル１２０側についても同様に、多孔質拡散層１０１にリーンガスが導入される時を基準に（その時のセンサセル電流Ｉｓの向きを基準に）、センサ第２電極１２２に接続される端子が正側端子、センサ第１電極１２１に接続される端子が負側端子として規定される。
【００５１】
制御回路２００において、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０の共通の負側端子には基準電圧回路２１０及び増幅回路２２０が接続される。つまり、基準電圧回路２１０により電圧Ｖａが生成され、その電圧Ｖａが増幅回路２２０の非反転入力端子に入力される。増幅回路２２０の出力端子は同増幅回路２２０の反転入力端子に接続されており、ボルテージフォロワ構成として基準電圧回路２１０の電圧Ｖａがポンプ第２電極１１２（ポンプセル１１０の負側端子）とセンサ第１電極１２１（センサセル１２０の負側端子）とに印加される。これにより、各セル１１０，１２０の負側端子は、ＧＮＤ電圧（０Ｖ電圧）よりも浮いた基準電圧Ｖａとなる。
【００５２】
印加電圧指令回路２９０内には、ポンプ電圧指令回路２３０とセンサ電圧指令回路２６０とが設けられる。ポンプ電圧指令回路２３０はポンプセル１１０の印加電圧を制御するため、ポンプセル電流Ｉｐに応じて図２５の印加電圧線ＬＸ１に応じた指令電圧を出力する。また、センサ電圧指令回路２６０はセンサセル１２０の印加電圧を制御するため、センサセル電流Ｉｓに応じて図２６の印加電圧線ＬＸ２に応じた指令電圧を出力する。
【００５３】
ポンプ電圧指令回路２３０からの指令信号Ｖｂは、ポンプセル１１０に電圧を印加し酸素濃度に応じた電流を供給するための増幅回路２４０の非反転入力端子に入力される。増幅回路２４０の出力端子は、ポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５０の一端に接続され、電流検出抵抗２５０の他端はポンプ第１電極１１１（ポンプセルの正側端子）に接続されると共に増幅回路２４０の反転入力端子に接続される。これにより、ポンプ第１電極１１１の電圧は常にポンプ電圧指令回路２３０の指令信号Ｖｂと同じ電圧になるよう制御される。
【００５４】
増幅回路２４０の出力電圧は端子Ｖｄから出力され、ポンプ第１電極１１１の電圧は端子Ｖｂから出力される。かかる場合、ポンプセル印加電圧Ｖｐ及びポンプセル電流Ｉｐは、以下の式で算出される。
【００５５】
Ｖｐ＝Ｖｂ−Ｖａ
Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１
但し、Ｒ１は、電流検出抵抗２５０の抵抗値である。
【００５６】
一方、センサ電圧指令回路２６０からの指令信号Ｖｃは、センサセル１２０に電圧を印加しＮＯｘ濃度に応じた電流を供給するための増幅回路２７０の非反転入力端子に入力される。増幅回路２７０の出力端子は、センサセル電流Ｉｓを検出するための電流検出抵抗２８０の一端に接続され、電流検出抵抗２８０の他端はセンサ第２電極１２２（センサセルの正側端子）に接続されると共に増幅回路２７０の反転入力端子に接続される。これにより、センサ第２電極１２２の電圧は常にセンサ電圧指令回路２６０の指令信号Ｖｃと同じ電圧になるよう制御される。
【００５７】
増幅回路２７０の出力電圧は端子Ｖｅから出力され、センサ第２電極１２２の電圧は端子Ｖｃから出力される。かかる場合、センサセル印加電圧Ｖｓ及びセンサセル電流Ｉｓは、以下の式で算出される。
【００５８】
Ｖｓ＝Ｖｃ−Ｖａ
Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２
但し、Ｒ２は、電流検出抵抗２８０の抵抗値である。
【００５９】
印加電圧指令回路２９０（電圧指令回路２３０，２６０）は、図２に示す通りＣＰＵ及びＡ／Ｄ，Ｄ／Ａコンバータを備えるマイクロコンピュータで構成され、各Ａ／Ｄコンバータ（Ａ／Ｄ１〜Ａ／Ｄ４）には各端子Ｖｄ，Ｖｂ，Ｖｅ，Ｖｃの電圧が各々入力される。また、各Ｄ／Ａコンバータ（Ｄ／Ａ１，Ｄ／Ａ２）からはポンプ指令電圧Ｖｂ，センサ指令電圧Ｖｃが各々出力される。
【００６０】
印加電圧指令回路２９０内のＣＰＵにより実施される印加電圧制御を図３のフローチャートに従い説明する。図３のルーチンは、図示しないメインルーチンの途中にて実施される印加電圧制御サブルーチンである。
【００６１】
図３において、先ずステップ１０１，１０２では、電流検出抵抗２５０の両端子電圧Ｖｄ，ＶｂをＡ／Ｄ１，Ａ／Ｄ２により各々読み取る。次に、ステップ１０３，１０４では、電流検出抵抗２８０の両端子電圧Ｖｅ，ＶｃをＡ／Ｄ３，Ａ／Ｄ４により各々読み取る。
【００６２】
ステップ１０５ではポンプセル電流Ｉｐを算出し（Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１）、続くステップ１０６では、図２５に示した印加電圧線ＬＸ１を用い、前記算出したポンプセル電流Ｉｐに対応するポンプセル１１０への目標印加電圧を求める（マップ演算する）。さらにステップ１０７では、前記求めた目標印加電圧を指令信号ＶｂとしてＤ／Ａ１を介して出力する。
【００６３】
次に、ステップ１０８ではセンサセル電流Ｉｓを算出し（Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２）、続くステップ１０９では、図２６に示した印加電圧線ＬＸ２を用い、前記算出したセンサセル電流Ｉｓに対応するセンサセル１２０への目標印加電圧を求める（マップ演算する）。さらにステップ１１０では、前記求めた目標印加電圧を指令信号ＶｃとしてＤ／Ａ２を介して出力する。
【００６４】
以上の構成により、図２５又は図２６に示す出力特性に従いポンプセル電流Ｉｐやセンサセル電流Ｉｓが流れる。また、リッチガスの場合には、センサ第１電極１２１の電圧をＶａに浮かしてＶａ＞Ｖｃとすることで、図２７に示すような負電圧を印加することが可能となる。すなわち、リッチガスの検出が可能となる。さらに、Ｖａ＞Ｖｃ＞Ｖｅ又はＶｃ＞Ｖｅとすることで、負電流（負のセンサセル電流Ｉｓ）を流すことが可能となる。
【００６５】
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。
ポンプセル１１０（第１セル）及びセンサセル１２０（第２セル）の負側端子を０Ｖ電圧から浮かすことで各セルにおいて負電流を流すことが可能となり、リーンガスの場合のみならず、リッチガスに対しても多孔質拡散層１０１内のガス濃度を一定に保つ（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことができる。その結果、リッチガスの検出を可能にしてガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、リッチガスからリーンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【００６６】
かかる場合、自動車のバッテリ電源（単電源）であっても、リッチ領域からリーン領域に至る広範囲な空燃比領域において精度の良いガス濃度検出が実現できるようになる。つまり、印加電圧を正極と負極とで入れ替えなくとも、ガス濃度を広域で検出できる。それ故、空燃比Ｆ／Ｂ制御等の各種制御が高精度に実施できるようになる。
【００６７】
ところで、２セル構造のガス濃度センサについては、前記図１（図２３）に示す構成の他、図４に示す構成でも実現できる。ここでは図４及び図５を用い、構成の一部を変更した他のガス濃度センサへの適用例、並びに当該他のセンサを使ったガス濃度検出装置の構成について前記図１との相違点のみを抽出して説明する。
【００６８】
図４に示すガス濃度センサ１５０では前記図１のガス濃度センサ１００と比較して、ポンプセルとセンサセルの設置場所が逆になっている。つまり、排ガス中の酸素濃度を検出するためのポンプセル１６０は多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設けられ、排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのセンサセル１７０は多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設けられる。各セル１６０，１７０に設置されるポンプ第１，第２電極１６１，１６２及びセンサ第１，第２電極１７１，１７２のうち、多孔質拡散層１０１側のポンプ第１電極１６１のみが、Ａｕ−Ｐｔ等、ＮＯｘガスに不活性な貴金属で形成される電極（ＮＯｘガスを分解し難い電極）であり、その他の電極は白金等、触媒活性の高い貴金属で形成される。ガス濃度センサ１５０（セル１６０，１７０）によるガス濃度の検出原理については既述のセンサ１００と同じであるため、その説明を省略する。
【００６９】
本構造のガス濃度センサ１５０についてその出力特性を説明する。排ガスがリーンガスである時、各セル１６０，１７０は所定の限界電流特性に従い排ガス中の酸素濃度及びＮＯｘ濃度に応じた限界電流を流す。これにより、酸素濃度又はＮＯｘ濃度が検出できる（前記図２５，図２６に同じ）。
【００７０】
これに対し、排ガスがリッチガスの場合、センサセル１７０が多孔質拡散層１０１と排ガス空間との間に設置されるために、センサセル１７０では排ガス側から多孔質拡散層１０１側へ酸素イオンを流すことはできず（負の限界電流を流すことはできず）、限界電流特性は得られない。因みに、リッチガスの場合に負電圧を加えると排ガス中のＨ2 ＯやＣＯ等の物質が分解され、酸素イオンがセンサ第１電極１７１からセンサ第２電極１７２に排出される。
【００７１】
また、ポンプセル１６０が多孔質拡散層１０１と大気ダクト１０２との間に設置されるために、ポンプセル１６０では大気ダクト１０２側から多孔質拡散層１０１側へ酸素イオンが流れ、空燃比のリッチ度合に応じて限界電流特性が得られる。その特性を図６に示す。
【００７２】
要するに、リッチガスの場合、ポンプセル１６０にはその時の空燃比に応じて負の限界電流が流れようとするため、その負電流が流れるよう当該ポンプセル１６０に適正な電圧を印加しなくてはならない。しかしながら、既述した通りポンプセル１６０の負側端子として規定されるポンプ第１電極１６１が前記図２８のようにＧＮＤ接地されると、ポンプセル１６０に負電流が流せないために多孔質拡散層１０１にリッチガスが滞留するという不具合が生ずる。
【００７３】
そこで本実施の形態では、図５の回路図（制御回路２０１）に示されるように、ポンプ第１電極１６１及びセンサ第２電極１７２をＧＮＤ（０Ｖ）に接地せず、正電圧に浮かすこととする。この構成により、リッチガスの場合にも図６に示すような負電流が流れ（Ｖｂ＞Ｖｄ）、リッチガスの検出が可能となる。その結果、ガス濃度の検出範囲が拡大される。また、多孔質拡散層１０１内のガス濃度を一定に保つ（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことで、リッチガスからリーンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【００７４】
次に、本発明における第２〜第７の実施の形態を説明する。但し、以下の各実施の形態の構成において、上述した第１の実施の形態と同等であるものについては図面に同一の記号を付すと共にその説明を簡略化する。そして、以下には第１の実施の形態との相違点を中心に説明する。
【００７５】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態におけるガス濃度検出装置を図７を用いて説明する。前記図１の構成との相違点を述べれば、図７の制御回路２０２では、酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５０が、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０の共通の負側端子（ポンプ第２電極１１２，センサ第１電極１２１）に接続される。
【００７６】
本構成の場合、電流検出抵抗２５０の両端子電圧は電圧Ｖａ，Ｖｄとなり、このうち、電圧Ｖａが固定電圧であるため、電圧Ｖｄのみを検出することでポンプセル電流Ｉｐが検出できる。すなわち、ポンプセル電流Ｉｐは、
Ｉｐ＝（Ｖａ−Ｖｄ）／Ｒ１
として算出される。前記図３に示す印加電圧制御サブルーチンにおいても、電流検出抵抗２５０の両端子電圧のうち、片側電圧（Ｖｄ）のみをＡ／Ｄ変換して読み取るようにすればよい。つまり、前記図１の構成では電流検出抵抗２５０の両端子電圧であるＶｂ，Ｖｄが何れも変動するためにＶｂ，Ｖｄの両方を随時検出していたが、図７の構成ではＶｄのみを検出すればよいこととなる。
【００７７】
以上本実施の形態によれば、上記第１の実施の形態と同様に、ガス濃度の検出範囲が拡大されると共にガス濃度出力の応答遅れが改善できるのは勿論のこと、この優れた効果に加えて、ポンプセル電流Ｉｐの検出のための構成が簡略化できる。
【００７８】
但し上記構成の場合、各セル１１０，１２０の負側端子が共通であるため、電流検出抵抗２５０では酸素濃度に応じたポンプセル電流ＩｐとＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓとの和（Ｉｐ＋Ｉｓ）が検出される。この場合、酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐを電流検出抵抗２５０にて検出する時に、センサセル電流Ｉｓ分だけ誤差が生じる。しかしながら、ポンプセル電流Ｉｐはその検出範囲が「０〜４ｍＡ」であるのに対し、センサセル電流Ｉｓはその検出範囲が「０〜１０μＡ」であり、検出範囲のオーダーが大きく違うため、センサセル電流Ｉｓがポンプセル電流Ｉｐに及ぼす影響は極微小であって支障は無い。
【００７９】
次に、前記図４の構成のガス濃度センサ１５０を適用した場合について図８を用いて説明する。図８の制御回路２０３では、ポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５０が、ポンプセル１６０及びセンサセル１７０の共通の負側端子（ポンプ第１電極１６１，センサ第２電極１７２）に接続される。本構成の場合、前記図７の装置と同様に、電流検出抵抗２５０の両端子電圧は電圧Ｖａ，Ｖｄとなり、このうち、電圧Ｖａが固定電圧であるため、電圧Ｖｄのみを検出することでポンプセル電流Ｉｐが検出できる。従って、上記第１の実施の形態と同様に、ガス濃度の検出範囲が拡大されると共にガス濃度出力の応答遅れが改善できるのは勿論のこと、この優れた効果に加えて、ポンプセル電流Ｉｐの検出のための構成が簡略化できる。
【００８０】
（第３の実施の形態）
次に、第３の実施の形態におけるガス濃度検出装置を図９を用いて説明する。図９は、前記図１の構成の一部を変更したものである。
【００８１】
本実施の形態では、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０のインピーダンス検出を要件としている。そして、ガス濃度検出とインピーダンス検出とを同一の装置で実施した時に、インピーダンス検出に起因してガス濃度の検出精度が悪化することの不具合を防止できる構成について提案する。先ずは、インピーダンス検出法の一例を説明すると共に、そのインピーダンス検出により上記不具合が発生する理由を説明する。
【００８２】
ポンプセル１１０を例に取りそのインピーダンス検出法として、掃引法による交流インピーダンスの検出手法を図１０を用いて説明する。図１０において、時刻ｔ１以前は、Ｖ−Ｉ特性に基づく印加電圧線（例えば図２５のＬＸ１）を用い、その時々のポンプセル電流Ｉｐに応じた印加電圧Ｖｐをポンプセル１１０に印加する。インピーダンス検出を開始する時刻ｔ１では、その時の印加電圧Ｖｐに対して周波数＝数ｋＨｚ〜数１０ｋＨｚの交流電圧を印加する。そして、その時の電圧変化量ΔＶｐと電流変化量ΔＩｐとからインピーダンスＲｐを算出する（Ｒｐ＝ΔＶｐ／ΔＩｐ）。なお、センサセル１２０についても同様の手法でインピーダンスが検出できる。
【００８３】
上記インピーダンスの検出手順を図１１のフローチャートを用いて説明する。先ずステップ２０１では、ポンプセル電流Ｉｐを算出する（Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１）。続くステップ２０２では、前回のインピーダンス検出時から所定時間（本実施の形態では、１２８ｍｓ）経過したか否か、すなわちインピーダンス検出のタイミングか否かを判別する。そして、ステップ２０２がＹＥＳであることを条件にステップ２０３に移り、現在の印加電圧に所定の交流電圧を印加する。ステップ２０４では、交流電圧の印加に伴う電圧変化量ΔＶｐと電流変化量ΔＩｐとをＡ／Ｄ入力値に基づき算出する。次に、ステップ２０５では、前記の電圧変化量ΔＶｐと電流変化量ΔＩｐとからポンプセル１１０のインピーダンスＲｐを算出する（Ｒｐ＝ΔＶｐ／ΔＩｐ）。
【００８４】
センサセル１２０についても同様の手順でインピーダンス検出を行う。図示は省略するが、その概要を略述すれば、先ずセンサセル電流Ｉｓを算出する（Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２）。そして、所定時間（例えば１２８ｍｓ）が経過する毎に、その時の印加電圧に対して交流電圧を印加し、電圧変化量ΔＶｓと電流変化量ΔＩｓとを算出する。ΔＶｓ値，ΔＩｓ値によりセンサセル１２０のインピーダンスＲｓを算出する（Ｒｓ＝ΔＶｓ／ΔＩｓ）。
【００８５】
次に、インピーダンス検出時にガス濃度検出精度が悪化するという不具合について説明する。例えばポンプセル１１０のインピーダンスＲｐを「４５Ω」、センサセル１２０のインピーダンスＲｓを「２００Ω」、インピーダンス検出時の交流電圧振幅ΔＶを「０．２Ｖ」とする。「ΔＶ＝０．２Ｖ」は、０〜５Ｖを処理電圧範囲とする１０ビットＤ／Ａ（又はＡ／Ｄ）の４０ＬＳＢ相当の値であり、これ以上ΔＶ値を小さくするとインピーダンスの検出精度が悪化すると考えられる値である。
【００８６】
ポンプセル１１０のインピーダンス電流として流れる電流ΔＩｐは、
ΔＩｐ＝０．２Ｖ／４５Ω＝４．４４ｍＡ
となり、センサセル１２０のインピーダンス電流として流れる電流ΔＩｓは、
ΔＩｓ＝０．２Ｖ／２００Ω＝１ｍＡ
となる。
【００８７】
この場合、酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐの電流範囲が０〜４ｍＡであれば、ポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５０は、０〜８．４４ｍＡ（ガス濃度電流ＭＡＸ値＋交流電流）をＡ／Ｄコンバータの制約である０〜５Ｖの範囲で検出する必要があり、ガス濃度電流のみを検出する場合に比べ電流検出範囲が広がるために検出精度が悪化する。実際には、約４７．４％（＝４ｍＶ／８．４４ｍＶ）だけ検出精度が低下すると評価できる。
【００８８】
一方、ＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓの電流範囲が−８００μＡ〜１０μＡであれば、センサセル電流Ｉｓを検出するための電流検出抵抗２８０は、−８００〜１０１０μＡ（ガス濃度電流＋交流電流）をＡ／Ｄコンバータの制約である０〜５Ｖの範囲で検出する必要があり、ガス濃度電流のみを検出する場合に比べやはり電流検出範囲が広がるために検出精度が悪化する。実際には、約４４．７％（＝８１０μＡ／１８１０μＡ）だけ検出精度が低下すると評価できる。
【００８９】
より具体的に数値を上げて説明する。ポンプセルの印加電圧をＭＡＸ１．０Ｖ（４ｍＡ時）、センサセルの印加電圧を−０．５Ｖ（−８００μＡ）〜１．０ＶＡ（＋１０μＡ）し、インピーダンス検出時にはそれぞれの印加電圧に、０．２Ｖだけ交流電圧を加算する。Ａ／Ｄコンバータの読取り電圧が０〜５Ｖであり、且つ増幅回路２４０，２２０，２７０がバッテリ電圧（例えば１２Ｖ）で動作するという条件から、出力電圧が０．５〜１０Ｖであれば、Ａ／Ｄ入力電圧（Ｖｂ，Ｖｄ，Ｖｃ，Ｖｅ）の範囲は０．５Ｖ〜５Ｖとなる。
【００９０】
ここで、インピーダンス非検出時と検出時とにおいて、上記の印加電圧条件及びＡ／Ｄ入力電圧条件（０．５〜５Ｖ）を成立させるには、以下の（イ）、（ロ）の如く数値設定される。
【００９１】
（イ）インピーダンス非検出時
基準電圧Ｖａの最適値を「３．０Ｖ」、電流検出抵抗２５０の抵抗値Ｒ１を「２５０Ω」、電流検出抵抗２８０の抵抗値Ｒ２を「２．５ｋΩ」とする。
【００９２】
（ロ）インピーダンス検出時
基準電圧Ｖａの最適値を「２．２Ｖ」、電流検出抵抗２５０の抵抗値Ｒ１を「１８９Ω」、電流検出抵抗２８０の抵抗値Ｒ２を「１．５ｋΩ」とする。
【００９３】
インピーダンス非検出時と検出時とを比較すると、各々の電流検出抵抗２５０の抵抗値Ｒ１が２５０Ω，１８９Ωであることから、インピーダンス検出時にはポンプセル電流Ｉｐ（酸素濃度）の検出精度が悪化することが分かる（１８９Ω／２５０Ω＝０．７５６）。また、各々の電流検出抵抗２８０の抵抗値Ｒ２が２．５ｋΩ，１．５ｋΩであることから、インピーダンス検出時にはセンサセル電流Ｉｓ（ＮＯｘ濃度）の検出精度が悪化することが分かる（１．５ｋΩ／２．５ｋΩ＝０．６）。
【００９４】
そこで本実施の形態では、ガス濃度検出とインピーダンス検出とを共に行う装置において、ガス濃度の検出精度を極力悪化させない構成を提案する。ガス濃度検出装置の構成を図９に示す。図９の制御回路２０４について前記図１との相違点を述べれば、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０の共通の負側端子（ポンプ第２電極１１２及びセンサ第１電極１２１の端子）に、新たにインピーダンス検出抵抗３５０が設置されている。
【００９５】
この場合、電流検出抵抗２５０は酸素濃度に応じた電流のみを検出し、ポンプセル１１０のインピーダンスに応じた交流電流を検出しない。また、電流検出抵抗２８０はＮＯｘ濃度に応じた電流のみを検出し、センサセル１２０のインピーダンスに応じた交流電流を検出しない。そして、交流電圧印加時の電流はインピーダンス検出抵抗３５０の両端子電圧Ｖｆ−Ｖａで検出される。
【００９６】
本構成の場合、前記（イ）、（ロ）で設定した各設計値のうち、（イ）の数値、すなわちインピーダンス非検出時の数値がそのまま適用できる。具体的には、Ｖａ＝３．０Ｖ、Ｒ１＝２５０Ω、Ｒ２＝２．５ｋΩであればよく、その他抵抗３５０の抵抗値は２００Ωであればよい。つまり、電流検出抵抗２５０，２８０はインピーダンス検出時の交流電流成分を検出する必要がないため、それに制約されて電流値が小さくされることはなく、インピーダンス検出に伴いガス濃度の検出精度が悪化されることはない。
【００９７】
ここで、インピーダンス検出時の各端子電圧のＭＡＸ値を記載する。ポンプセル１１０のインピーダンス検出時において、ポンプセル電流がＭＡＸ４ｍＡの時の印加電圧＝１Ｖ、インピーダンス検出用交流電圧＝０．２Ｖの場合（但し、センサセル電流＝０ｍＡ）、
Ｖａ＝３．０Ｖ
Ｖｂ＝４．２Ｖ（＝３Ｖ＋１Ｖ＋０．２Ｖ）
Ｖｄ＝６．３１Ｖ（＝（４ｍＡ＋４．４４ｍＡ）×２５０Ω＋４．２Ｖ）
Ｖｆ＝１．３１２Ｖ（＝３Ｖ−（４ｍＡ＋４．４４ｍＡ）×２００Ω）
となる。なお、Ｖｄは５Ｖを超えるが、インピーダンス検出時はＶｄ電圧は読まないため問題無い。５Ｖクランプ回路を付ければ、Ａ／Ｄコンバータが破損することも無い。
【００９８】
一方、センサセル１２０のインピーダンス検出時において、センサセル電流がＭＡＸ１０μＡの時の印加電圧＝１Ｖ、インピーダンス検出用の交流電圧＝０．２Ｖの場合（但し、ポンプセル電流＝０ｍＡ）、
Ｖａ＝３．０Ｖ
Ｖｃ＝４．２Ｖ（＝３Ｖ＋１Ｖ＋０．２Ｖ）
Ｖｅ＝６．７３Ｖ（＝（１０μＡ＋１ｍＡ）×２．５ｋΩ＋４．２Ｖ）
Ｖｆ＝２．７９８Ｖ（＝３Ｖ−（１０μＡ＋１ｍＡ）×２００Ω）
となる。なお、Ｖｅは５Ｖを超えるが、インピーダンス検出時はＶｅ電圧は読まないため問題無い。５Ｖクランプ回路を付ければ、Ａ／Ｄコンバータが破損することもない。
【００９９】
以上本実施の形態によれば、既述の効果に加えて、以下に示す新たな効果が得られる。つまり、ガス濃度検出とインピーダンス検出とを実施する装置において、各セル１１０，１２０の正側端子にはガス濃度検出用の電流検出抵抗２５０，２８０を接続すると共に、各セル１１０，１２０の負側端子にはインピーダンス検出用の抵抗３５０を接続したので、ガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった既述の不都合が回避される。従って、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【０１００】
次に、前記図４の構成のガス濃度センサ１５０を適用した場合について図１２を用いて説明する。図１２の制御回路２０５について前記図５との相違点を述べれば、ポンプセル１６０及びセンサセル１７０の共通の負側端子（ポンプ第１電極１６１，センサ第２電極１７２）に、インピーダンス検出抵抗３５０が設けられる。この場合、インピーダンス検出時における交流電流の変化がインピーダンス検出抵抗３５０により検出される。これに対し、電流検出抵抗２５０は酸素濃度に応じた電流のみを検出し、ポンプセル１６０のインピーダンスに応じた交流電流を検出しない。また、電流検出抵抗２８０はＮＯｘ濃度に応じた電流のみを検出し、センサセル１７０のインピーダンスに応じた交流電流を検出しない。
【０１０１】
従って、ガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった既述の不都合が回避され、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【０１０２】
（第４の実施の形態）
上記第３の実施の形態（図９の装置）の一部を変更した第４の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるガス濃度検出装置の構成を図１３に示す。
【０１０３】
図１３の制御回路２０６について前記図９との相違点を述べれば、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０の共通の負側端子（ポンプ第２電極１１２，センサ第１電極１２１）に、インピーダンス検出抵抗３５０は設置されていない。その代わりに、電流検出抵抗２５０の両端子電圧を増幅する差動増幅回路３００が設置されると共に、電流検出抵抗２８０の両端子電圧を増幅する差動増幅回路３１０が設置される。そして、例えば酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐ及びポンプセルのインピーダンス検出電流を、差動増幅回路３００の出力Ｖｇにより検出する。また、ＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓ及びセンサセルのインピーダンス検出電流を、差動増幅回路３１０の出力Ｖｈにより検出する。
【０１０４】
具体的な数値例を上げて説明する。図１３に示した構成では、前記第３の実施の形態で説明した（イ）の数値、すなわちインピーダンス非検出時の数値がそのまま適用できる。具体的には、Ｖａ＝３．０Ｖ、Ｒ１＝２５０Ω、Ｒ２＝２．５ｋΩであればよい。このとき、既述した印加電圧条件、検出電流条件及びＡ／Ｄ入力電圧条件（０．５〜５Ｖ）が成立する。つまり、電流検出抵抗２５０，２８０はインピーダンス検出時の交流電流成分を検出することに制約されて抵抗値が小さくされることはなく、インピーダンス検出に伴いガス濃度の検出精度が悪化することはない。
【０１０５】
ここで、インピーダンス検出時の各端子電圧のＭＡＸ値を記載する。ポンプセルのインピーダンス検出時において、ポンプセル電流がＭＡＸ４ｍＡの時の印加電圧＝１Ｖ、インピーダンス検出用の交流電圧＝０．２Ｖの場合、Ｖａ＝３．０Ｖ、Ｖｂ＝４．２Ｖ、Ｖｄ＝６．３１Ｖとなる（但し、センサセル電流＝０ｍＡ）。なおＶｄは５Ｖを超えるが、差動増幅回路３００により、
Ｖｇ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）×β１
で処理する。β１は差動増幅回路３００の増幅率であり、β１値の設定によりＡ／Ｄコンバータの入力電圧（Ｖｇ電圧）が５Ｖ以下に制限される。
【０１０６】
一方、センサセルのインピーダンス検出時において、センサセル電流がＭＡＸ１０μＡの時の印加電圧＝１Ｖ、インピーダンス検出用の交流電圧＝０．２Ｖの場合、Ｖａ＝３．０Ｖ、Ｖｃ＝４．２Ｖ、Ｖｅ＝６．７３Ｖとなる（但し、ポンプセル電流＝０ｍＡ）。なおＶｅは５Ｖを超えるが、差動増幅回路３１０により、
Ｖｈ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）×β２
で処理する。β２は差動増幅回路３１０の増幅率であり、β２値の設定によりＡ／Ｄコンバータの入力電圧（Ｖｈ電圧）が５Ｖ以下に制限される。
【０１０７】
また、差動増幅回路３１０を単電源（バッテリ電源）で動作させた場合、リッチガス時に負のセンサセル電流が流れるとその負電流が増幅できない。そのため、差動増幅回路３１０にオフセットを与えておき、負電流の検出も可能とするとよい。また他の方法として、電流検出抵抗２８０の両端子電圧Ｖｅ，Ｖｃをそれぞれ、マイコンで直接読み取るようにしてもよい。
【０１０８】
以上本実施の形態によれば、前記第３の実施の形態と同様に、インピーダンス検出のためにガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった不都合が回避される。従って、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【０１０９】
次に、前記図４の構成のガス濃度センサ１５０を適用した場合について図１４を用いて説明する。図１４の制御回路２０７について前記図１２との相違点を述べれば、ポンプセル１６０及びセンサセル１７０の共通の負側端子（ポンプ第１電極１６１，センサ第２電極１７２）に、インピーダンス検出抵抗３５０は設置されていない。その代わりに、電流検出抵抗２５０の両端子電圧を増幅する差動増幅回路３００が設置されると共に、電流検出抵抗２８０の両端子電圧を増幅する差動増幅回路３１０が設置される。そして、例えば酸素濃度に応じたポンプセル電流Ｉｐ及びポンプセルのインピーダンス検出電流を、差動増幅回路３００の出力Ｖｇにより検出する。また、ＮＯｘ濃度に応じたセンサセル電流Ｉｓ及びセンサセルのインピーダンス検出電流を、差動増幅回路３１０の出力Ｖｈにより検出する。
【０１１０】
以上図１４の構成によれば、インピーダンス検出のためにガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった不都合が回避される。従って、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
【０１１１】
（第５の実施の形態）
前記図２３の構造のガス濃度センサ１００でリッチガスが検出される場合、酸素は大気ダクト１０２からセンサセル１２０を介して多孔質拡散層１０１に供給され、その後、多孔質拡散層１０１で拡散律速されて所定の限界電流特性を呈する筈である。しかしながら、多孔質拡散層１０１に供給される酸素の一部は、同拡散層１０１で拡散律速されつつ図の左側から排出され、他の酸素はポンプセル１１０を介して排ガスに排出される。つまり、ポンプセル１１０を介して排出される酸素が存在するために、リッチガスに伴うセンサセル電流が大き目の値を示してしまう（拡散律速が小さくなってしまう）。すなわち、ポンプセル特性が干渉し、正確な検出ができない。以上のことからリッチガス検出の際、センサセル１２０とポンプセル１１０とが干渉し、検出精度が悪化してしまう。
【０１１２】
そこで本実施の形態では上記問題を解消すべく、リッチガスの検出に際し、ポンプセル１１０の印加電圧を強制的に０Ｖとする。これにより、ポンプセル１１０の干渉を防止し、ガス濃度検出精度の確保を図る。
【０１１３】
ガス濃度検出装置の構成は図１を流用する。そして、図１の構成において、印加電圧指令回路２９０内のマイクロコンピュータにて図１５に示す処理を実行する。図１５の処理は、前記図３の印加電圧制御サブルーチンに組み込まれて実行されればよい。
【０１１４】
ステップ３０１では、センサセル電流Ｉｓを算出する（Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２）。続くステップ３０２では、センサセル電流Ｉｓが負電流かどうかを判別する。もし正電流であればそのまま本処理を終了する。また、負電流であれば、ステップ３０３に進んでポンプセルへの印加電圧を０Ｖとし、ポンプセル電流Ｉｐが流れないようにする。印加電圧＝０Ｖであれば図２５中の原点の電圧を印加することになり、ポンプセル１１０には殆ど電流が流れない。つまり、多孔質拡散層１０１側からポンプセル１１０を介して排ガス側への酸素イオンの流れが強制的に停止される。
【０１１５】
上記構成によれば、排ガスがリッチガスである時に、大気ダクト１０２側（基準ガス側）から多孔質拡散層１０１側へセンサセル１２０を介して酸素が流入する量と、多孔質拡散層１０１側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。これにより、リッチガス時においてセンサセル１２０に流れる負電流がポンプセル１１０に干渉されることなく、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【０１１６】
次に、前記図４の構成のガス濃度センサ１５０を適用した場合について説明する。図４の構造のガス濃度センサ１５０でリッチガスが検出される場合、酸素は大気ダクト１０２からポンプセル１６０を介して多孔質拡散層１０１に供給され、その後、多孔質拡散層１０１で拡散律速されて限界電流特性を呈する筈である。ところが、センサセル特性が干渉し、多孔質拡散層１０１に供給された酸素の一部は同拡散層１０１で拡散律速されつつ図の左側から排出され、他の酸素はセンサセル１７０を介して排ガスに排出される。従って、センサセル１７０を介して排出される酸素が存在するために、リッチガスに伴うポンプセル電流は大き目の値を示してしまう（拡散律速が小さくなってしまう）。
【０１１７】
そこで上記問題を解消すべく、リッチガスの検出に際し、センサセル１７０の印加電圧を強制的に０Ｖとする。これにより、センサセル１７０の干渉を防止し、ガス濃度検出精度の確保を図る。
【０１１８】
ガス濃度検出装置の構成は図５を流用する。そして、図５の構成において、印加電圧指令回路２９０内のマイクロコンピュータにて図１６に示す処理を実行する。図１６の処理は、前記図３の印加電圧制御サブルーチンに組み込まれて実行されればよい。
【０１１９】
ステップ３１１では、ポンプセル電流Ｉｐを算出する（Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１）。続くステップ３１２では、ポンプセル電流Ｉｐが負電流かどうかを判別する。もし正電流であればそのまま本処理を終了する。また、負電流であれば、ステップ３１３に進んでセンサセルへの印加電圧を０Ｖとし、センサセル電流Ｉｓが流れないようにする。印加電圧＝０ＶであればＶ−Ｉ特性上の原点の電圧を印加することになり、センサセル１７０には殆ど電流が流れない。つまり、多孔質拡散層１０１側からセンサセル１７０を介して排ガス側への酸素イオンの流れが強制的に停止される。
【０１２０】
上記構成によれば、排ガスがリッチガスである時に、大気ダクト１０２側（基準ガス側）から多孔質拡散層１０１側へポンプセル１６０を介して酸素が流入する量と、多孔質拡散層１０１側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。これにより、リッチガス時においてポンプセル１６０に流れる負電流がセンサセル１７０に干渉されることなく、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【０１２１】
（第６の実施の形態）
上記第５の実施の形態では、セル間の干渉防止を図るべく、リッチガス検出時にポンプセル１１０の印加電圧を強制的に０Ｖとしたが、本実施の形態ではこの構成を変更し、ポンプセル端子を開放することでポンプセルの干渉防止を図る。
【０１２２】
ガス濃度検出装置の構成を図１７に示す。図１７の制御回路２０８について前記図１との相違点を述べれば、ポンプセル１１０の印加電圧を制御する増幅回路２４０の出力端子にスイッチ回路３２０が追加して設けられる。このとき、ポンプセル１１０は、多孔質拡散層１０１側から排ガス側への酸素イオンの流れを制御するためのセルに相当する。スイッチ回路３２０は通常ＯＮ状態で使用され、印加電圧制御回路２９０（マイクロコンピュータ）のデジタルポートにより制御される。スイッチ回路３２０は、センサセル１２０に負電流が流れた場合（リッチガスの場合）、ポンプセル１１０のポンプ第１電極１１１を開放するために使われ、同電極１１１を開放することでポンプセル１１０への印加電圧がなくなる。
【０１２３】
本実施の形態における印加電圧指令回路２９０（マイクロコンピュータ）による処理を図１８のフローチャートを用いて説明する。図１８の処理は前記図１５の処理に代えて実行される。
【０１２４】
ステップ４０１では、センサセル電流Ｉｓを算出する（Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２）。ステップ４０２では、センサセル電流Ｉｓが負電流かどうかを判別する。負電流であった場合、ステップ４０３では、ポンプセル１１０への印加電圧を開放状態にするためにスイッチ回路３２０を開放とする旨の信号を出力し、ポンプセル電流Ｉｐが流れないようにする。
【０１２５】
また、センサセル電流Ｉｓが正電流であれば、ステップ４０４でスイッチ回路３２０を接続状態とする旨の信号を出力し、ステップ４０５でポンプセル電流Ｉｐを算出する（Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１）。その後、ステップ４０６では、図２５に示す印加電圧線ＬＸ１を用いその時のポンプセル電流Ｉｐに応じてポンプセル１１０の印加電圧を制御する。
【０１２６】
上記構成によれば、排ガスがリッチガスである時に、多孔質拡散層１０１側からポンプセル１１０を介して排ガス側への酸素イオンの流れが強制的に停止され、大気ダクト１０２側（基準ガス側）から多孔質拡散層１０１側へセンサセル１２０を介して酸素が流入する量と、多孔質拡散層１０１側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。従って、前記第５の実施の形態と同様に、リッチガス時においてセンサセル１２０に流れる負電流がポンプセル１１０に干渉されることなく、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【０１２７】
次に、前記図４の構成のガス濃度センサ１５０を適用した場合について説明する。ガス濃度検出装置の構成を図１９に示す。図１９の制御回路２０９について前記図５との相違点を述べれば、センサセル１７０の印加電圧を制御する増幅回路２７０の出力端子にスイッチ回路３３０が追加して設けられる。このとき、センサセル１７０は、多孔質拡散層１０１側から排ガス側への酸素イオンの流れを制御するためのセルに相当する。スイッチ回路３３０は通常ＯＮ状態で使用され、印加電圧制御回路２９０（マイクロコンピュータ）のデジタルポートにより制御される。スイッチ回路３３０は、ポンプセル１６０に負電流が流れた場合（リッチガスの場合）、センサセル１７０のセンサ第１電極１７１を開放するために使われ、同電極１７１を開放することでセンサセル１７０への印加電圧がなくなる。
【０１２８】
本実施の形態における印加電圧指令回路２９０（マイクロコンピュータ）による処理を図２０のフローチャートを用いて説明する。図２０の処理は前記図１６の処理に代えて実行される。
【０１２９】
ステップ４１１では、ポンプセル電流Ｉｐを算出する（Ｉｐ＝（Ｖｄ−Ｖｂ）／Ｒ１）。ステップ４１２では、ポンプセル電流Ｉｐが負電流かどうかを判別する。負電流であった場合、ステップ４１３では、センサセル１７０への印加電圧を開放状態にするため、スイッチ回路３３０を開放とする旨の信号を出力し、センサセル電流Ｉｓが流れないようにする。
【０１３０】
また、ポンプセル電流Ｉｐが正電流であれば、ステップ４１４でスイッチ回路３３０を接続状態とする旨の信号を出力し、ステップ４１５でセンサセル電流Ｉｓを算出する（Ｉｓ＝（Ｖｅ−Ｖｃ）／Ｒ２）。その後、ステップ４１６では、図２６に示す印加電圧線ＬＸ２を用いその時のセンサセル電流Ｉｓに応じてセンサセル１７０の印加電圧を制御する。
【０１３１】
上記構成によれば、排ガスがリッチガスである時に、多孔質拡散層１０１側からセンサセル１７０を介して排ガス側への酸素イオンの流れが強制的に停止され、大気ダクト１０２側（基準ガス側）から多孔質拡散層１０１側へポンプセル１６０を介して酸素が流入する量と、多孔質拡散層１０１側へ流入した酸素が拡散律速される量とが一致する。従って、前記第５の実施の形態と同様に、リッチガス時においてポンプセル１６０に流れる負電流がセンサセル１７０に干渉されることなく、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
【０１３２】
（第７の実施の形態）
上記各実施の形態では、２セル構造のガス濃度センサについてその具体例を示したが、それ以外の構造のセンサにも具体化できる。以下には、３セル構造のガス濃度センサとそのガス濃度検出装置への適用例を説明する。
【０１３３】
図２１を参照しつつ３セル構造のガス濃度センサと同センサを用いたガス濃度検出装置の構成を説明する。ガス濃度センサ４００は、排ガス中の酸素を排出することで酸素濃度を検出するポンプセル４１０と、酸素分圧を検知するリファレンスセル４３０と、ＮＯｘガスを分解しその酸素イオンを排出することでＮＯｘ濃度を検出するセンサセル４２０とを有する。
【０１３４】
エンジンから排出された排ガスは、第１多孔質拡散層４０１を介して第１チャンバ４０５に導入される。ポンプセル４１０は、リファレンス第１電極４３１とリファレンス第２電極４３２との間の電圧によりモニタしたリファレンスセル４３０の電圧に基づき、第１チャンバ４０５内に存在する酸素をＮＯｘが分解しないレベルで汲み出し制御する。すなわち、ポンプ第１電極４１１とポンプ第２電極４１２との間に電圧を印加することで酸素が汲み出され、この時に流れる電流を計測することで酸素濃度が検出される。
【０１３５】
酸素を汲み出された排ガスは、第２多孔質拡散層４０４を介して第２チャンバ４０６に導入される。第２チャンバ４０６内に存在するＮＯｘガスは、センサセル４２０を用いて分解し汲み出されるように制御される。すなわち、センサ第１電極４２１とセンサ第２電極４２２との間に電圧を印加することでＮＯｘガスが汲み出され、この時に流れる電流値を計測することでＮＯｘ濃度が検出される。
【０１３６】
制御回路４５０において、ポンプセル４１０及びリファレンスセル４３０の共通の負側端子（ポンプ第２電極４１２，リファレンス第１電極４３１）には基準電圧Ｖｇを生成するための基準電圧回路４６０が接続される。これにより、各セル４１０，４３０の負側端子は、ＧＮＤ電圧（０Ｖ電圧）よりも浮かせて構成される。リファレンスセル４３０の起電圧、すなわちリファレンス第１，第２電極４３１，４３２の電位差はリファレンス第２電極４３２から出力され、信号ＶＬとしてポンプセル４１０を制御するための増幅回路４５２の反転入力端子に入力される。
【０１３７】
同じく増幅回路４５２の反転入力端子には、抵抗４５５を介して一定の電圧源４５４が接続されている。この場合、リファレンス第２電極４３２（ＶＬの信号線）には一定の電圧源４５４から抵抗４５５を介して電流が供給され、リファレンス第２電極４３２周りは一定の酸素濃度となるように制御される。
【０１３８】
増幅回路４５２の非反転入力端子には基準電圧を生成する電源４５１が接続されており、信号ＶＬに応じてポンプセル４１０の印加電圧が制御される。増幅回路４５２の出力端子には、抵抗４５３を介してポンプ第１電極４１１が接続される。排ガス中の酸素濃度に応じてポンプセル４１０に流れる電流は抵抗４５３により検出される。
【０１３９】
例えば第１チャンバ４０５内の排ガスがリーンである程（酸素が多く含まれる状態）、リファレンスセル４３０の起電力は低減され、リファレンス第２電極４３２の電圧（信号ＶＬ）は低下する。増幅回路４５２の反転入力端子が下降するため、増幅回路４５２の出力端子電圧Ｖｉが上昇し、ポンプセル４１０の印加電圧Ｖｈも上昇する。従って、第１チャンバ４０５内の酸素をポンプセル４１０を介して排ガス側（図の上側）に排出する。この場合、抵抗４５３の両端子電圧Ｖｉ，Ｖｈからポンプセル電流Ｉｐが計測される。
【０１４０】
Ｉｐ＝（Ｖｉ−Ｖｈ）／Ｒ１１
但し、Ｒ１１は抵抗４５３の抵抗値である。そして、ポンプセル電流Ｉｐから排ガス中の酸素濃度が検出される。
【０１４１】
また、第１チャンバ４０５内の排ガスの酸素濃度が非常に低い場合、リファレンスセル４３０の起電力が上昇し、リファレンス第２電極４３２の電圧（信号ＶＬ）が上昇する。増幅回路４５２の反転入力端子が上昇するため、増幅回路４５２の出力端子電圧Ｖｉは下降し、ポンプセル４１０の印加電圧Ｖｈも下降する。従って、第１チャンバ４０５内の酸素の排出が少なく、抵抗４５３の両端子電圧Ｖｉ，Ｖｈから計測されるポンプ電流により排ガス中の酸素濃度が検出できる。
【０１４２】
一方、排ガス中の酸素を排出された後のガスは第２多孔質拡散層４０４を介して第２チャンバ４０６に導入される。センサセル４２０のセンサ第１電極４２１はセンサセルに印加電圧を与える電源４５７のマイナス端子に接続され、電源４５７のプラス端子には抵抗４５８を介してセンサ第２電極４２２が接続される。センサセル４２０に電圧が印加されると、同センサセル４２０はＮＯｘガスを分解し、酸素イオンを第２チャンバ４０６から排出する。この場合、抵抗４５８の両端子電圧Ｖｋ，Ｖｊからセンサセル電流Ｉｓが計測される。
【０１４３】
Ｉｓ＝（Ｖｋ−Ｖｊ）／Ｒ１２
但し、Ｒ１２は抵抗４５８の抵抗値である。そして、センサセル電流Ｉｓから排ガス中のＮＯｘ濃度が検出される。
【０１４４】
本実施の形態の装置では、ポンプセル４１０及びリファレンスセル４３０により第１セルが構成され、センサセル４２０により第２セルが構成される。また、第２チャンバ４０６により基準ガス室が構成される。
【０１４５】
以上図２１の装置においても、ポンプセル４１０及びリファレンスセル４３０の負側端子（ポンプ第２電極４１２，リファレンス第１電極４３１）を０Ｖ電圧から浮かすことで、各セルにおいて負電流を流すことが可能となり、リーンガスの場合のみならず、リッチガスに対しても第１チャンバ４０５内のガス濃度を一定に保つ（例えば酸素濃度を常にストイキ状態に保つ）ことができる。その結果、リッチガスの検出を可能にしてガス濃度の検出範囲を拡大させると共に、リッチガスからリーンガスへの復帰に際し、ガス濃度出力の応答遅れを改善することができる。
【０１４６】
また、第２〜第６の実施の形態（図７，図９，図１３，図１７等）に記載の特徴的な構成を組み合わせて実現することで、
・ポンプセル電流Ｉｐの検出のための構成が簡略化できる。
・ガス濃度検出とインピーダンス検出とを実施する装置において、ガス濃度検出時の電流出力に応じた電圧範囲が制約されるといった既述の不都合が回避され、インピーダンス検出を行いつつ、その時のガス濃度検出精度の低下を抑制することができる。
・排ガスがリッチガスである時に、セル間での出力干渉が防止でき、リッチガス検出の際の検出精度を確保することができる。
等の優れた効果が得られる。
【０１４７】
なお、本発明は、上記以外に次の形態にて具体化できる。
上記各実施の形態では、マイクロコンピュータを用いて印加電圧指令回路２９０を構成したが、同回路２９０をハードウエアにより回路構成してもよい。印加電圧指令回路２９０の回路構成を図２２に示す。但し、印加電圧指令回路２９０内のポンプ電圧指令回路２３０とセンサ電圧指令回路２６０とは同一構成で実現できるため、図２２にはポンプ電圧指令回路２３０の構成のみを図示する。
【０１４８】
図２２において、ポンプ電圧指令回路２３０は、基準電圧回路２４１、増幅回路２４２、増幅抵抗２４５，２４６、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）２４３及び電流検出回路２４７で構成される。電流検出回路２４７は、ポンプセル電流Ｉｐを検出するための電流検出抵抗２５０の両端子電圧Ｖｄ，Ｖｂを取り込み、同電流検出回路２４７で処理された電圧（Ｖｄ−Ｖｂ）が増幅回路２４２の非反転入力端子に出力される。増幅回路２４２の反転入力端子は、増幅率を決定するための増幅抵抗２４５及び２４６に接続される。増幅回路２４２の出力端子には、抵抗２４３ａ及びコンデンサ２４３ｂからなる一次のＬＰＦ２４３が接続され、そのＬＰＦ２４３を介して指令電圧Ｖｂが出力される。
【０１４９】
かかる場合、図２５に示す印加電圧線ＬＸ１に沿った印加電圧がポンプセル１１０に印加される。ここで、基準電圧回路２４１は印加電圧線ＬＸ１のオフセット電圧（０ｍＡ時の印加電圧）を生成し、増幅回路２４２と増幅抵抗２４５，２４６は印加電圧線ＬＸ１の傾き（ポンプセル電流増大に伴う印加電圧の増大）を生成する。印加電圧線ＬＸ１によればポンプセル電流Ｉｐの増大に伴い印加電圧が増大するといった、ポジティブフィードバックの系ができ、出力する印加電圧が発振しようとするが、ＬＰＦ２４３をフィードバック系の途中に設けることで印加電圧の発振が防止される。以上のような構成及び作用により、本装置の印加電圧制御をハードウエアにより実施することも可能となる。
【０１５０】
例えば第１の実施の形態における図１の構成では、ポンプセル１１０及びセンサセル１２０の共通の負側端子（ポンプ第２電極１１２，センサ第１電極１２１）に基準電圧回路２１０及び増幅回路２２０が接続され、各セル１１０，１２０の負側端子をＧＮＤ電圧（０Ｖ電圧）よりも浮いた基準電圧Ｖａとしたが、センサセル１２０側の負側端子（センサ第１電極１２１）のみについてＧＮＤ電圧（０Ｖ電圧）よりも浮かす構成としてもよい。また例えば図５の構成では、ポンプセル１６０側の負側端子（ポンプ第１電極１６１）のみについてＧＮＤ電圧（０Ｖ電圧）よりも浮かす構成とすればよい。要は、第１，第２セル（ポンプセル，センサセル）のうち、基準ガス室（大気ダクト１０２）に面するセルの負側端子を０Ｖ電圧から浮かす構成であれば、既述の優れた効果が得られる。
【０１５１】
上記第５の実施の形態では、排ガスがリッチガスである時に、多孔質拡散層１０１側から排ガス側への酸素イオンの流れをなくすべく、該当する第１又は第２セルへの印加電圧を０Ｖに調整したが、該当するセルの酸素イオンの流れをなくす構成であれば、必ずしも「０Ｖ」にしなくてもよい。実際には、各セルのＶ−Ｉ特性に応じて０Ｖ近傍の電圧に調整すればよい。
【０１５２】
上記各実施の形態では、２セル構造又は３セル構造のガス濃度センサ（ＮＯｘセンサ）について具体化したが、他の構成のガス濃度センサについても任意に具体化できる。要は、被検出ガスを導入するための拡散層に対向し、電圧印加に伴い拡散層内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セル（ポンプセル）と、同じく前記拡散層に対向し、電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セル（センサセル）とを備え、第１，第２セルの少なくとも一方が基準ガス室に面して設けられるガス濃度センサであれば任意に適用できる。
【０１５３】
また、上記実施の形態におけるガス濃度センサでは、ガス導入部として多孔質拡散層を用いたが、ガス導入部としてはこの構成に限定されず、スリットやスルーホールにてガス導入部を構成するものでもよい。
【０１５４】
酸素濃度とＮＯｘ濃度とを検出可能なガス濃度センサの他、酸素濃度と、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度とを検出可能なガス濃度センサにも適用できる。ＨＣ濃度又はＣＯ濃度を検出する場合、ポンプセルにて排ガス（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成分からＨＣ又はＣＯを分解する。これにより、酸素濃度に加え、ＨＣ濃度又はＣＯ濃度が検出できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図２】印加電圧指令回路の構成を示す図。
【図３】印加電圧制御サブルーチンを示すフローチャート。
【図４】ガス濃度センサの構成を示す要部断面図。
【図５】ガス濃度検出装置の全体構成図。
【図６】ガス濃度センサのポンプセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図７】第２の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図８】第２の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図９】第３の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図１０】インピーダンス検出手順を説明するために使う波形図。
【図１１】インピーダンス検出サブルーチンを示すフローチャート。
【図１２】第３の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図１３】第４の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図１４】第４の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図１５】第５の実施の形態において印加電圧制御処理の一部を示すフローチャート。
【図１６】第５の実施の形態において印加電圧制御処理の一部を示すフローチャート。
【図１７】第６の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図１８】第６の実施の形態において印加電圧制御処理の一部を示すフローチャート。
【図１９】第６の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図２０】第６の実施の形態において印加電圧制御処理の一部を示すフローチャート。
【図２１】第７の実施の形態においてガス濃度検出装置の全体構成図。
【図２２】印加電圧指令回路の構成を示す回路図。
【図２３】ガス濃度センサの構成を示す要部断面図。
【図２４】ガス濃度センサの動作原理を説明するための図。
【図２５】ガス濃度センサのポンプセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図２６】ガス濃度センサのセンサセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図２７】ガス濃度センサのセンサセル特性を説明するためのＶ−Ｉ特性図。
【図２８】従来技術においてガス濃度検出装置の構成図。
【符号の説明】
１００，１５０…ガス濃度センサ、１１０，１６０…第１セルとしてのポンプセル、１２０，１７０…第２セルとしてのセンサセル、１０１…ガス導入部としての多孔質拡散層、１０２…基準ガス室としての大気ダクト、２１０…基準電圧生成手段としての基準電圧回路、２５０，２８０…電流検出抵抗、２９０…電圧印加手段としての印加電圧指令回路、３００，３１０…差動増幅回路、３２０，３３０…スイッチ回路、３５０…インピーダンス検出抵抗、４００…ガス濃度センサ、４０１…第１多孔質拡散層、４０４…第２多孔質拡散層、４０６…基準ガス室としての第２チャンバ、４１０…第１セルとしてのポンプセル、４２０…第２セルとしてのセンサセル、４３０…第１セルとしてのリファレンスセル、４６０…基準電圧生成手段としての基準電圧回路。

Claims (9)

1. 被検出ガスを導入するためのガス導入部に対向し、電圧印加に伴いガス導入部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セルと、同じく前記ガス導入部に対向し、電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セルとを備え、前記第１，第２セルの少なくとも一方が基準ガス室に面して設けられるとともに、それら第１セルから流れる電流及び第２セルから流れる電流を各別の抵抗を介して検出する複合型ガス濃度センサを用いるガス濃度検出装置において、
   前記ガス導入部側から第１セルを介して余剰酸素が排出される時に正側端子となる前記第１又は第２セルの端子に接続され、当該セルにより検出される電流値に応じて設定される電圧を当該セルに印加する電圧印加手段と、
   前記第１，第２セルのうち、前記基準ガス室に面するセルの負側端子に接続され、被検出ガスがリッチガスである時に前記ガス導入部の内部をストイキ状態に保つように該負側端子を０Ｖ電圧から浮かすための基準電圧生成手段と
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
2. 被検出ガスを導入するためのガス導入部に対向し、電圧印加に伴いガス導入部内の被検出ガス中の余剰酸素を排出しつつその酸素濃度に応じた電流を流す第１セルと、同じく前記ガス導入部に対向し、電圧印加に伴い余剰酸素排出後のガス成分から特定成分の濃度に応じた電流を流す第２セルとを備えるとともに、それら第１セルから流れる電流及び第２セルから流れる電流を各別の抵抗を介して検出する複合型ガス濃度センサを用いるガス濃度検出装置において、
   前記ガス導入部側から第１セルを介して余剰酸素が排出される時に正側端子となる前記第１又は第２セルの端子に接続され、当該セルにより検出される電流値に応じて設定される電圧を当該セルに印加する電圧印加手段と、
   前記第１及び第２セルの負側端子に接続され、被検出ガスがリッチガスである時に前記ガス導入部の内部をストイキ状態に保つように該負側端子を０Ｖ電圧から浮かすための基準電圧生成手段と
   を備えることを特徴とするガス濃度検出装置。
3. 前記基準電圧生成手段は、被検出ガス中の酸素が欠乏する時に前記電圧印加手段により印加される電圧値よりも高い値となる基準電圧を前記第１，第２セルの負側端子に印加することが可能な請求項１又は請求項２に記載のガス濃度検出装置。
4. 前記ガス濃度センサには単電源により電圧が印加される請求項１〜請求項３のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
5. 自動車の排出ガスを検出するガス濃度検出装置であり、前記ガス濃度センサには車載バッテリにより電圧が印加される請求項４に記載のガス濃度検出装置。
6. 前記第１及び第２セルの正側端子にはガス濃度を検出するための電流検出抵抗が接続されると共に、前記第１及び第２セルの負側端子には当該セルのインピーダンスを検出するための電流検出抵抗が接続される請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
7. 前記第１及び第２セルの正側端子にはガス濃度を検出するための電流検出抵抗が接続されると共に、該電流検出抵抗の両端電圧が増幅回路に入力されてその電圧範囲が前記増幅回路の増幅率にて制限される請求項１〜請求項５のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
8. 被検出ガスがリッチガスである時に、前記ガス導入部と被検出ガス側との間のセルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンをなくすべく、該当する第１又は第２セルへの印加電圧を調整する請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガス濃度検出装置。
9. 前記ガス導入部側から被検出ガス側への酸素イオンの流れを制御するための第１又は第２セルに、電気経路を開放又は閉鎖するためのスイッチ回路を接続し、
   被検出ガスがリッチガスである時に、前記ガス導入部と被検出ガス側との間のセルを介してガス導入部側から被検出ガス側へ流れる酸素イオンをなくすべく、前記スイッチ回路を開放する請求項１〜請求項７のいずれかに記載のガス濃度検出装置。

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