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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-16
(45)【発行日】2024-12-24
(54)【発明の名称】ＮＯｘセンサ
(51)【国際特許分類】
   G01N 27/416 20060101AFI20241217BHJP
【ＦＩ】
G01N27/416 331
【請求項の数】 8
(21)【出願番号】P 2022052420
(22)【出願日】2022-03-28
(65)【公開番号】P2023145123
(43)【公開日】2023-10-11
【審査請求日】2024-06-10
(73)【特許権者】
【識別番号】000004260
【氏名又は名称】株式会社デンソー
(74)【代理人】
【識別番号】110000648
【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】村山 勇樹
(72)【発明者】
【氏名】加山 竜三
(72)【発明者】
【氏名】河野 翔太
【審査官】小澤 理
(56)【参考文献】
【文献】特開平１０－２６７８８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００２－５１３９３４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０２１－０３９０８８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平１０－３１８９７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００４／０１３３１１６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２３－１４５１２２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２７／４１６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
被測定ガス（Ｇ）に含まれるＮＯｘを検出するセンサ素子（１）と、上記センサ素子を加熱するヒータ（Ｈ）と、上記センサ素子及び上記ヒータの動作を制御すると共に、上記センサ素子からの信号に基づいてＮＯｘ濃度を算出するセンサ制御部（１０）と、を備えるＮＯｘセンサ（Ｓ）であって、
上記センサ素子は、
ガス導入部（３）を介して上記被測定ガスが導入され、固体電解質体（１１）を室壁とする被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室において、導入されるガス流れの上流側に配置される第１セル電極（２１）を有し、上記被測定ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号（Ｉｐ）を出力する第１セル（１ｐ）、及び、上記第１セルよりも下流側に配置される第２セル電極（２２）を有し、上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号（Ｉｓ）を出力する第２セル（１ｓ）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記第２信号に基づくＮＯｘ濃度基準値（Ｃ１）を算出するＮＯｘ濃度基準値算出部（１０１）と、
上記第１信号又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報（Ｃｉ）を検出するＨ2Ｏ濃度情報検出部（１０２）と、
上記第２セルの温度（Ｔｓ）と相関を有する第２セル温度情報（Ｔｉ）を検出する第２セル温度情報検出部（１０３）と、
上記ＮＯｘ濃度基準値を、上記Ｈ2Ｏ濃度情報及び上記第２セル温度情報に基づくオフセット補正値（Ｃ２）を用いて補正するＮＯｘ濃度補正部（１０４）と、を有する、ＮＯｘセンサ。
【請求項2】
上記被測定ガス室において、上記第１セルは、上記被測定ガスに含まれる酸素を、上記固体電解質体を介して排出するのに伴い、上記第１信号を出力するものであり、
上記被測定ガス室に導入されるガス流れに対して、上記第１セルよりも下流側に、上記被測定ガスに残存する残存酸素濃度に対応する第３信号（Ｉｍ）を出力する第３セル（１ｍ）が、上記第２セルと並列に配置されている、請求項１に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項3】
上記第２セル温度情報は、上記第２セル又は上記第３セルのセルインピーダンス（Ｚac）である、請求項２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項4】
上記第２セル温度情報は、上記第３セルから出力される上記第３信号である、請求項２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項5】
上記第２セル温度情報は、上記ヒータのヒータ抵抗である、請求項１又は２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項6】
上記第２セル温度情報は、上記センサ素子の外部における上記被測定ガスの流速及び温度に基づいて取得される、請求項１又は２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項7】
上記センサ制御部は、上記第１セル及び上記第２セルへの印加電圧を制御する検出制御部（２００）と、上記ヒータへの通電により、上記第１セルの温度（Ｔｐ）を制御するヒータ制御部（３００）とを、さらに備える、請求項１～６のいずれか１項に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項8】
上記第２セル電極は、Ｒｈを含む電極材料にて構成されており、
上記検出制御部は、上記第２セルへの印加電圧を、０．３５Ｖ以上に制御する請求項７に記載のＮＯｘセンサ。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、被測定ガス中のＮＯｘ濃度を検出するためのＮＯｘセンサに関する。
【背景技術】
【0002】
車両用のＮＯｘセンサは、固体電解質体を用いたセンサ素子を備えており、センサ素子の内部へ被測定ガスとなる排ガスを導入し、窒素酸化物（ＮＯｘ）の分解に起因して固体電解質体を流れる電流を測定することにより、ＮＯｘ濃度を検出している。一般に、センサ素子は、固体電解質体の表面に電極が形成された複数のセルを有し、例えば、ガス流れの上流側に設けられるポンプセルにて被測定ガス中の酸素（Ｏ2）をポンピングし、所定の低酸素濃度に調整した上で、下流側に設けられるセンサセルにて被測定ガスに含まれるＮＯｘを検出する。
【0003】
一方、ＮＯｘ濃度の検出において、被測定ガスに含まれる水分（Ｈ2Ｏ）が誤差要因となることがある。その対策として、特許文献１には、エンジンの運転条件により定まる空気過剰率あるいはＡ／Ｆ値から排ガス中の水分量を推定し、推定された水分量に応じてガス濃度検出信号を補正する方法が提案されている。また、酸素ポンプ作用を利用する形式のガスセンサにおいては、酸素を汲み出す第１セルから得られる信号と排ガス中の酸素濃度及び水分量との相関関係を利用して、ＮＯｘを分解する第２セルから得られる信号を、マップを用いて又はアナログ回路上で補正する方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】特許第３３７２１８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１のガスセンサは、エンジン情報又はセンサ情報から、排ガス中の水分量を推定し又は水分量に相当する値を取得して、水分量に対応する補正量を用いて、ＮＯxガス濃度検出出力を補正している。その前提として、ＮＯxガス濃度検出出力とＮＯxガス濃度との間に直線関係があることが示され、水分量による補正をしない場合には、感度には影響がないものの、オフセットが変化するとされている。ところが、負荷条件によって温度条件がより広範囲で変動すると、必ずしも水分量に基づくオフセットが一定とならないことが判明した。これは、水分量とオフセットの関係が、負荷条件によって異なるセンサ周辺の温度環境やセンサ制御の影響を受けるためと推測され、水分量に起因する誤差が適切に補正されずに、ＮＯxガス濃度の検出精度が低下するおそれがあった。
【0006】
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、周辺環境変化等の影響を抑制し、被測定ガスに含まれる水分量に基づく補正をより精度よく行って、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上可能なＮＯｘセンサを提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様は、
被測定ガス（Ｇ）に含まれるＮＯｘを検出するセンサ素子（１）と、上記センサ素子を加熱するヒータ（Ｈ）と、上記センサ素子及び上記ヒータの動作を制御すると共に、上記センサ素子からの信号に基づいてＮＯｘ濃度を算出するセンサ制御部（１０）と、を備えるＮＯｘセンサ（Ｓ）であって、
上記センサ素子は、
ガス導入部（３）を介して上記被測定ガスが導入され、固体電解質体（１１）を室壁とする被測定ガス室（２）と、
上記被測定ガス室において、導入されるガス流れの上流側に配置される第１セル電極（２１）を有し、上記被測定ガス中のＨ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号（Ｉｐ）を出力する第１セル（１ｐ）、及び、上記第１セルよりも下流側に配置される第２セル電極（２２）を有し、上記被測定ガス中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号（Ｉｓ）を出力する第２セル（１ｓ）と、を有しており、
上記センサ制御部は、
上記第２信号に基づくＮＯｘ濃度基準値（Ｃ１）を算出するＮＯｘ濃度基準値算出部（１０１）と、
上記第１信号又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報（Ｃｉ）を検出するＨ2Ｏ濃度情報検出部（１０２）と、
上記第２セルの温度（Ｔｓ）と相関を有する第２セル温度情報（Ｔｉ）を検出する第２セル温度情報検出部（１０３）と、
上記ＮＯｘ濃度基準値を、上記Ｈ2Ｏ濃度情報及び上記第２セル温度情報に基づくオフセット補正値（Ｃ２）を用いて補正するＮＯｘ濃度補正部（１０４）と、を有する、ＮＯｘセンサにある。
【発明の効果】
【0008】
上記構成のＮＯｘセンサにおいて、センサ制御部は、センサ素子の動作とヒータの動作を制御すると共に、センサ素子からの信号に基づいて、ＮＯｘ濃度を算出する。第２セルから第２信号が入力されると、ＮＯｘ濃度基準値算出部において、予め知られる第２信号とＮＯｘ濃度との関係に基づいて、ＮＯｘ濃度基準値が算出される。Ｈ2Ｏ濃度情報検出部は、第１セルから入力される第１信号又はセンサ素子の外部情報に基づくＨ2Ｏ濃度情報を検出する。また、第２セル温度情報検出部は、入力される第２セル温度情報に基づいて、対応する第２セルの温度を検出する。ＮＯｘ濃度補正部は、Ｈ2Ｏ濃度情報及び第２セル温度情報に基づいて、オフセット補正値を算出し、ＮＯｘ濃度基準値を補正する。
【0009】
ここで、センサ素子の周辺環境は、被測定ガスの排出環境によって変動し、被測定ガスに含まれる水分量が変動すると共に、負荷条件によって被測定ガスの温度や流量も変動する。そのために、センサ制御部によってヒータによる温度制御が実施されていても、第２信号が出力される第２セルの温度が、ヒータによる制御温度から外れる場合があり、オフセットの要因となっていることが判明した。そのような場合でも、ＮＯｘ濃度補正部において、Ｈ2Ｏ濃度情報と第２セル温度情報とに基づいてオフセット補正値が算出され、第２セルの温度を考慮したオフセット補正値を用いて、ＮＯｘ濃度基準値を補正するので、ＮＯｘ濃度をより精度よく算出することができる。
【0010】
以上のごとく、上記態様によれば、周辺環境の変化等の影響を抑制し、被測定ガスに含まれる水分量に基づく補正をより精度よく行って、ＮＯｘ濃度の検出精度を向上可能なＮＯｘセンサを提供することができる。
なお、特許請求の範囲及び課題を解決する手段に記載した括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係を示すものであり、本発明の技術的範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】実施形態１における、ＮＯｘセンサの全体概略構成図。
【図2】実施形態１における、ＮＯｘセンサの主要部であるセンサ素子の概略構成を示す長手方向断面図とそのＩ－Ｉ線断面図。
【図3】実施形態１における、ＮＯｘセンサのセンサ制御部の主要部構成を示すブロック図。
【図4】実施形態１における、ＮＯｘセンサの取り付け状態を示す全体構成図とその一部拡大断面図。
【図5】実施形態１における、センサ素子のポンプセル電流とＯ2濃度及びＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図6】実施形態１における、センサ素子のオフセット補正前のＮＯｘ出力とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図7】実施形態１における、センサ素子のオフセット補正後のＮＯｘ出力とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図8】実施形態１における、センサ素子の電極材料とガス種の吸着エネルギの関係を示す図。
【図9】実施形態１における、センサ素子のポンプセル電流とＯ2濃度及びＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図10】実施形態１における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部の主要部構成を示すブロック図。
【図11】実施形態１における、センサ素子のオフセット補正値とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図12】実施形態１における、センサ素子のオフセット補正値とＯ2濃度の関係を示す図。
【図13】実施形態１における、オフセット補正値算出マップを取得するための試験装置の概略構成図と燃焼前後のガス組成式を示す図。
【図14】実施形態１における、センサ制御部のヒータ制御部による通電制御を説明するための図で、センサ素子の主要部断面図。
【図15】実施形態１における、排ガス中のＯ2濃度とＨ2Ｏ濃度の関係を示す図。
【図16】実施形態１における、排ガス中のＯ2濃度とＨ2Ｏ濃度の関係における燃料性状の影響を示す図。
【図17】実施形態２における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部による算出処理手順を示すフローチャート図。
【図18】実施形態２における、センサ制御部の検出制御部により印加される電圧と出力される電流の関係を示すタイムチャート図。
【図19】実施形態２における、センサ素子に印加される電圧と出力される電流の関係を示す模式図。
【図20】実施形態２における、センサセル温度とセルインピーダンスの関係を示す図。
【図21】実施形態３における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部の主要部構成を示すブロック図。
【図22】実施形態３における、センサ素子のセンサセル温度情報の検出原理を説明するための模式図。
【図23】実施形態３における、センサセル温度とモニタセル電流の関係を示す図。
【図24】実施形態３における、センサセルへの印加電圧とＮＯｘ出力の関係を示す図。
【図25】実施形態３における、センサセル温度とヒータ抵抗の関係を示す図。
【図26】実施形態３における、ヒータ抵抗とヒータ温度及びヒータ温度とセンサセル温度の関係を示す図。
【図27】実施形態４における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部の主要部構成を示すブロック図。
【図28】実施形態４における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部に用いられるＯ2濃度換算マップ図。
【図29】実施形態４における、センサ制御部のＮＯｘ濃度算出部に用いられるＨ2Ｏ濃度換算マップ図及び大気中Ｈ2Ｏ濃度換算マップ図。
【図30】実施形態５における、センサ素子の取り付け構造を示す断面図。
【図31】実施形態５における、センサ素子のセンサセル温度と排ガス温度及び排ガス流速との関係を示す図。
【図32】実施形態５における、センサ素子のチャンバ構造とＮＯｘ出力オフセットの関係を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0012】
（実施形態１）
ＮＯｘセンサに係る実施形態１について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本形態のＮＯｘセンサＳは、センサ素子１と、センサ素子１を加熱するヒータＨと、センサ制御部１０とを備える。図４の全体図（右図）に示すように、センサ素子１が収容されるセンサ本体１Ａは、例えば、車両用エンジン等の内燃機関の排ガス通路ＥＸに設置され、センサ素子１を用いて、被測定ガスである排ガスＧ中に含まれる窒素酸化物（すなわち、ＮＯｘ）を検出する。センサ制御部１０は、排ガス通路ＥＸの外部に設置されて、センサ素子１による検出動作及びヒータＨによる加熱動作を制御すると共に、センサ素子１からの出力に基づいてＮＯｘ濃度を算出する。
【0013】
図１、図２に示すように、センサ素子１は、例えば、固体電解質体１１を用いた限界電流式センサとして構成されており、第１セルであるポンプセル１ｐと、第２セルであるセンサセル１ｓと、を有している。センサ素子１には、ガス検出部となる一端側（例えば、図４の右図における下端側）の内部に、固体電解質体１１を室壁とする被測定ガス室２が形成されており、センサ素子１の外部から、ガス導入部３を介して、被測定ガス室２へ排ガスＧが導入される。センサ素子１は、センサセル１ｓと並設される第３セルとしてのモニタセル１ｍを備えることもできる。
【0014】
図４の左図に示すように、排ガスＧは、センサ素子１の長手方向をガス流れ方向Ｘとして、その先端部に設けられるガス導入部３から、被測定ガス室２に導入される。被測定ガス室２において、ポンプセル１ｐは、ガス流れの上流側に配置され、排ガスＧ中の酸素濃度を調整しつつ、排ガスＧ中の酸素濃度に対応する信号であり、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号を出力するように構成される。センサセル１ｓは、ポンプセル１ｐよりも下流側に配置されて、酸素濃度が調整された排ガスＧ中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じた第２信号を出力する。固体電解質体１１を挟んで被測定ガス室２と反対側には、基準ガス室４が配置される。センサ素子１の外表面には、ガス検出部の全体を覆って、多孔質保護層５が形成される。
【0015】
図２に示すように、具体的には、ポンプセル１ｐは、被測定ガス室２に面する固体電解質体１１の表面に、第１セル電極であるポンプ電極２１を有し、酸素ポンピングを行って、排ガスＧ中の酸素濃度を所定の低濃度に調整する。このとき、ポンプ電極２１の触媒作用により、排ガスＧに含まれる酸素（すなわち、Ｏ2）が還元されて、酸化物イオン（すなわち、Ｏ2-）となり、固体電解質体１１の内部を伝導して、基準ガス室４側へ排出される。その際にポンプセル１ｐを流れる電流（以下、ポンプセル電流と称する）Ｉｐは、調整前の排ガスＧ中の酸素濃度（以下、適宜、Ｏ2濃度と称する）に対応するものとなり、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有する第１信号として、センサ制御部１０へ出力される。
【0016】
センサセル１ｓは、被測定ガス室２に面する固体電解質体１１の表面に、第２セル電極であるセンサ電極２２を有し、Ｏ2濃度が調整された排ガスＧに含まれるＮＯｘを検出する。このとき、排ガスＧにＨ2Ｏが含まれる場合には、センサ電極２２の触媒作用により、ＮＯｘが分解されると共にＨ2Ｏが分解されて、ＮＯｘ及びＨ2Ｏに起因する酸化物イオンが、固体電解質体１１の内部を伝導して、基準ガス室４側へ排出される。その際にセンサセル１ｓを流れる電流（以下、センサセル電流と称する）Ｉｓは、排ガスＧ中のＮＯｘ濃度及びＨ2Ｏ濃度に応じたものとなり、第２信号としてセンサ制御部１０へ出力される。
【0017】
ＮＯｘセンサＳは、例えば、ＮＯｘを浄化するための選択的触媒還元（すなわち、ＳＣＲ：Selective Catalytic Reduction）システムに用いられて、触媒下流側におけるＮＯｘ濃度を検出し、触媒上流側への還元剤の供給量制御等に利用される。その場合に、排ガスＧにＮＯｘと共に水分（すなわち、Ｈ2Ｏ）が混在すると、センサ素子１からの出力は、本来のＮＯｘに基づく出力に、Ｈ2Ｏに基づく出力が上乗せされたものとなる。排ガスＧ中のＨ2Ｏは、主にエンジンにおける燃料の燃焼に起因するものであり、排ガスＧ中のＯ2と相関を有する。そのため、Ｈ2Ｏ濃度又はＯ2濃度を用いて、ＮＯｘ出力のオフセット量を推定して、ＮＯｘ濃度の補正を行うことが可能であり、さらに、Ｈ2Ｏに基づく出力の温度特性を考慮することにより、オフセット補正を適切に行うことができる。
【0018】
図１、図３に示すように、センサ制御部１０は、センサ素子１又は外部装置等と通信可能に構成されており、機能的に、ＮＯｘ濃度算出部１００と、検出制御部２００と、ヒータ制御部３００と、を備える。ＮＯｘ濃度算出部１００は、センサ素子１から出力される第１信号、第２信号や外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏに起因するＮＯｘ出力の誤差（以下、ＮＯｘ出力誤差と称する）を補正して、ＮＯｘ濃度を算出する。検出制御部２００は、センサ素子１による検出動作が、適切に実施されるように制御し、また、ヒータ制御部３００は、センサ素子１が検出に適した温度となるように、ヒータＨによる加熱動作を制御する。検出制御部２００及びヒータ制御部３００による制御の詳細については、後述する。
【0019】
ＮＯｘ濃度算出部１００は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１と、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２と、第２セル温度情報検出部であるセンサセル温度情報検出部１０３と、ＮＯｘ濃度補正部１０４と、を有する。ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１には、第２信号であるセンサセル電流Ｉｓが入力され、センサセル電流Ｉｓに基づくＮＯｘ濃度基準値Ｃ１が算出される。Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２には、第１信号であるポンプセル電流Ｉｐ又は外部情報が入力され、ポンプセル電流Ｉｐ又は外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報を含むＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉが検出される。センサセル温度情報検出部１０３には、第２セル温度情報として、センサセル１ｓの温度（以下、センサセル温度と称する）Ｔｓと相関を有するセンサセル温度情報Ｔｉを検出する。
【0020】
ＮＯｘ濃度補正部１０４は、検出されたＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉに基づくオフセット補正値Ｃ２を算出し、このオフセット補正値Ｃ２を用いて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を補正する。具体的には、ＮＯｘ濃度補正部１０４は、オフセット補正値算出部１０４Ａを有し、予め取得されるセンサセル電流Ｉｓのオフセット量と、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉとの関係に基づいて、オフセット補正値Ｃ２を算出するための補正マップ又は補正式等を記憶している。
【0021】
このように、ＮＯｘ濃度算出部１００は、センサセル１ｓからの出力であるセンサセル電流Ｉｓに基づいて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を算出する一方、ポンプセル電流Ｉｐ又は外部情報に基づくＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉを検出する。図５に示すように、ポンプセル電流Ｉｐから知られるＯ2濃度は、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度と相関を有し、Ｈ2Ｏ濃度が増加するほどＯ2濃度が減少する概略反比例の関係にある。この関係を利用してＯ2濃度をＨ2Ｏ濃度に換算し、あるいは、外部からの情報に基づくＨ2Ｏ濃度を取得して、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉをすることができる。また、センサセル温度Ｔｓと相関を有するセンサセル温度情報Ｔｉを検出し、これら検出情報を用いてオフセット補正値Ｃ２を算出する。
【0022】
図６に示すように、センサセル電流Ｉｓに基づくＮＯｘ濃度（単位：ｐｐｍ）は、雰囲気中の水分に起因するオフセットを示し、モデルガス中のＮＯｘ濃度が実質的にゼロであっても、Ｈ2Ｏ濃度（単位：％）の増加と共に、センサ出力が増加する。このＮＯｘ出力誤差は、さらに、雰囲気温度によっても変動し、モデルガスの温度が７０℃、２００℃、５００℃と上昇するほど、同じＨ2Ｏ濃度におけるセンサ出力が大きくなる温度特性を示す。そのために、車両用のＮＯｘセンサＳのように、導入される排ガスＧの温度変化が大きい使用環境においては、Ｈ2Ｏ濃度に基づく出力補正のみでは、十分な補正精度が得られないおそれがある。
【0023】
ここで、センサ制御部１０は、センサ素子１のガス検出部となる一端側を、内蔵されるヒータＨを用いて、所定温度となるように加熱制御している。ところが、図６中に示すように、センサセル温度Ｔｓが、ポンプセル１ｐの制御温度（例えば、６００℃）に対して、高温側に（例えば、６００℃～６５０℃の範囲で）変動することが判明した。この温度変動により、例えば、アイドリング時のような低負荷条件では、センサセル温度Ｔｓは、ポンプセル１ｐと同等温度に制御可能であるものの、より高負荷の運転条件では、制御温度に追従させることが難しくなる。
【0024】
図１において、ヒータＨは、基準ガス室４を挟んで被測定ガス室２の室壁となる固体電解質体１１に対向し、ポンプセル１ｐとセンサセル１ｓとが配置される領域を、熱伝達により加熱可能となっている。ただし、固体電解質体１１の全体を均一に加熱することは難しく、また、本形態のように、ポンプセル１ｐとセンサセル１ｓとがガス流れ方向Ｘに縦列する構成では、排ガスＧや周囲との熱授受に違いが生じることから、排ガスＧの温度の影響を受けやすくなる。そのために、排ガスＧの温度が高くなると、センサセル温度Ｔｓが、ポンプセル１ｐの制御温度と一致しなくなり、また、センサセル１ｓが高温となることで、Ｈ2Ｏの分解が促進されて、センサセル電流Ｉｓが増加するものと推測される。
【0025】
これに対して、図７に示すように、ＮＯｘ濃度補正部１０４において、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉに基づくオフセット補正を行った場合には、Ｈ2Ｏ濃度やセンサセル温度Ｔｓによらず、センサセル電流Ｉｓが、モデルガスのＮＯｘ濃度とほぼ一致している。このように、センサ出力の補正に際して、ヒータＨによる制御温度と、ＮＯｘ濃度が検出されるセンサセル１ｓの温度とのずれに着目し、センサセル温度Ｔｓを考慮したオフセット補正値Ｃ２を用いることにより、ＮＯｘ濃度をより精度よく算出することができる。
【0026】
Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２において検出されるＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉは、Ｈ2Ｏ濃度又はＨ2Ｏ濃度と相関を有する濃度情報、例えば、Ｏ2濃度の情報等を含むものであればよい。Ｏ2濃度の情報が、センサ素子１から入力されるポンプセル電流Ｉｐに基づいて取得される場合には、排ガスＧ中のＯ2濃度（％）と一定の関係にある、空燃比（Ａ／Ｆ）、空気過剰率（λ＝空燃比／理論空燃比）、当量比（φ＝１／λ）等であってもよい。
【0027】
また、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉは、このようなセンサ素子１の内部情報に限らず、センサ素子１の外部にて取得される外部情報であってもよい。外部情報は、エンジンの運転情報や搭載環境等の情報を含み、これらの外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２においてＨ2Ｏ濃度を算出してもよいし、これらの外部情報に基づいて推定されたＨ2Ｏ濃度又はＯ2濃度の推定値を、外部情報として取得してもよい。
【0028】
センサセル温度情報検出部１０３において検出されるセンサセル温度情報Ｔｉは、センサセル温度Ｔｓと相関を有する情報を含むものであればよい。このような情報としては、例えば、センサ素子１の内部で取得されるインピーダンス情報、抵抗値情報等が挙げられる。インピーダンス情報としては、例えば、センサセル１ｓから入力されるセンサセル電流Ｉｓ、又はモニタセル１ｍから入力される第３信号としてのモニタセル電流Ｉｍに基づく、セルインピーダンスＺacの検出値とすることができる。
【0029】
また、センサ素子１の内部情報に限らず、センサ素子１の外部にて取得される外部情報であってもよい。外部情報としては、例えば、エンジンの運転情報や、センサ素子１の周囲の排ガス情報等の情報を含み、これらの外部情報に基づいて、センサセル温度情報検出部１０３においてセンサセル温度Ｔｓを算出してもよいし、これらの外部情報に基づいて推定されたセンサセル温度Ｔｓの推定値を、外部情報として取得してもよい。
【0030】
Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２又はセンサセル温度情報検出部１０３において、外部情報は、例えば、図示しない車両用エンジン制御ユニット（すなわち、Ｅｎｇｉｎｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｕｎｉｔ；以下、ＥＣＵと称する）からの情報として、センサ制御部１０へ入力される。センサ制御部１０は、通信部やマイクロコンピュータ（以下、マイコンと称する）、センサ素子１やＥＣＵと接続される各種端子等を備えるセンサ制御ユニットとして構成されており、センサ素子１からの内部情報又はＥＣＵからの外部情報に基づいて、ＮＯｘ濃度算出部１００において、ＮＯｘ濃度が算出される。
【0031】
なお、ＥＣＵには、図示しないエアフローメータにより検出される吸入空気量や、エンジン回転数センサ、アクセル開度センサ等からの検出信号が入力されており、これら入力情報に基づいて、エンジンＥの運転状態を知り、車両全体を制御している。
【0032】
このように、センサ制御部１０において、ＮＯｘ濃度算出部１００が、センサセル温度Ｔｓを考慮したオフセット補正を行うＮＯｘ濃度補正部１０４を備えることにより、排ガスＧ中の水分に起因するＮＯｘ出力誤差を適切に補正して、ＮＯｘ濃度を精度よく算出することができる。
以下、ＮＯｘセンサＳの構成例及びセンサ制御部１０による制御の詳細について、説明する。
【0033】
（ＮＯｘセンサＳの全体構成）
図４において、ＮＯｘセンサＳのセンサ本体１Ａは、筒状のハウジングＳ１の内側にセンサ素子１が挿通保持され、ハウジングＳ１の外周ねじ部が、排ガス通路ＥＸの通路壁ＥＸ１に固定されている。センサ本体１Ａは、センサ素子１の先端側が排ガス通路ＥＸの内部に突出位置して、素子カバーＳ２内に収容され、センサ素子１の基端側が排ガス通路ＥＸの外部に突出位置して、大気カバーＳ３内に収容される。センサ制御部１０は、センサ本体１Ａの基端側に引き出されるリード線Ｓ４を介して、センサ素子１と電気的に接続される。
【0034】
素子カバーＳ２は、底面を有する二重筒構造となっており、外側カバー及び内側カバーの側面及び底面には、図示しない複数のガス流通孔が設けられる。これにより、排ガス通路ＥＸを流通する排ガスＧが、素子カバーＳ２の内部に取り込まれて、ガス検出部となるセンサ素子１の先端側が、被測定ガスである排ガスＧに晒される。また、筒状の大気カバーＳ３の側面には、図示しない複数のガス流通孔が設けられる。これにより、基準ガスである大気Ａが、大気カバーＳ３の内部に取り込まれ、センサ素子１の基端側に到達可能となっている。
【0035】
図４中に拡大して示すように、センサ素子１の先端側に到達した排ガスＧは、ガス導入部３から被測定ガス室２の内部へ取り込まれて、基端側へ移動する。被測定ガス室２には、ガス流れ方向Ｘの上流側にポンプセル１ｐが、下流側にセンサセル１ｓ及びモニタセル１ｍが配置され、基準ガス室４に取り込まれる大気Ａを基準ガスとして、排ガスＧ中のＮＯｘを検出する。
【0036】
（センサ素子１の構成）
図２において、センサ素子１は、３セル構造の積層型素子であり、ガス流れ方向Ｘと直交する方向（すなわち、図２の上下方向）を積層方向として、遮蔽層１３、スペーサ層１２、固体電解質体１１、及び、ヒータ絶縁層６１が、この順で配置される。固体電解質体１１の一方の表面側には、スペーサ層１２と、遮蔽層１３とが配置されて、被測定ガス室２となる空間が形成される。また、固体電解質体１１のもう一方の表面側には、ヒータＨを構成するヒータ絶縁層６１との間に、基準ガス室４となる空間が形成される。
【0037】
被測定ガス室２は、スペーサ層１２の先端面（すなわち、図２における左端面）に埋設される拡散抵抗層３１を介して、排ガスＧが存在する素子カバーＳ２（例えば、図４参照）内の空間と連通している。拡散抵抗層３１は、その外側に配置される多孔質保護層５の一部と共に、被測定ガス室２へのガス導入部３を構成し、所定の拡散抵抗下で排ガスＧが導入されるように調整されている。多孔質保護層５は、センサ素子１のガス検出部となる先端側の表面全体を覆って形成されており、被毒物質等からセンサ素子１を保護している。
【0038】
センサ素子１のガス検出部には、ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍが設けられ、各セルは、それぞれ固体電解質体１１を挟んで対向する一対の電極を有する。被測定ガス室２において、固体電解質体１１の表面には、ガス流れ方向Ｘの上流側に、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１が配置され、その下流側に、センサセル１ｓのセンサ電極２２及びモニタセル１ｍのモニタ電極２３が配置される。基準ガス室４において、固体電解質体１１の表面には、これら電極２１、２２、２３と対向する位置に、共通の電極となる基準電極４１が設けられる。
【0039】
共通の基準電極４１が配置される基準ガス室４は、センサ素子１の基端側（例えば、図２における右端側）まで延びており、図示しない端面に開口する基準ガス導入口を介して、大気Ａが存在する大気カバーＳ３（例えば、図４参照）内の空間と連通している。基準ガス室４の底壁となるヒータ絶縁層６１の内部には、通電により発熱する発熱体６２が埋設されて、ヒータＨを構成している。発熱体６２は、ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｓの電極が形成される部位に対応して配置され、ガス検出部となる素子先端側の全体を加熱可能となっている。
【0040】
これにより、各セルの一対の電極は、その一方の電極２１、２２、２３が、被測定ガス室２に導入される排ガスＧに晒され、もう一方の電極４１が、基準ガス室４に導入される大気Ａに晒される。このとき、各セルの一対の電極間に電圧を印加することにより、酸化物イオン伝導性を有する固体電解質体１１を介して、排ガスＧに含まれる酸素を基準ガス室４側へ汲み出し又は基準ガス室４側から汲み入れる酸素ポンピングが可能になる。また、ヒータＨを作動させることにより、各セルが活性となる温度以上に加熱して、酸素ポンピングを安定して実施可能になる。
【0041】
被測定ガス室２において、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１は、ガス流れ方向Ｘの上流側に大面積で形成される。拡散抵抗層３１を通過した排ガスＧがポンプ電極２１と接触すると、その触媒作用により酸素が分解されて、基準電極４１側へ排出される。ポンプセル１ｐにより低酸素濃度に調整された排ガスＧは、下流側のセンサ電極２２及びモニタ電極２３へ到達し、センサ電極２２において、ＮＯｘに起因する酸素が残存酸素と共に酸素ポンピングにより排出される。また、モニタ電極２３において残存酸素が酸素ポンピングにより排出される。
【0042】
センサ電極２２及びモニタ電極２３は、ガス流れ方向Ｘにおいて同等となる位置に並設され、ポンプ電極２１よりも小面積の同一形状に形成される。これにより、排ガスＧの流れに対して、センサ電極２２とモニタ電極２３が同等条件となり、センサセル１ｓとモニタセル１ｍの出力を比較することにより、ＮＯｘ出力に含まれる残存酸素の影響を取り除くことができる。
【0043】
固体電解質体１１は、酸化物イオン伝導性を有するジルコニア系の固体電解質材料によって構成される。ジルコニア系の固体電解質材料としては、例えば、イットリア等の安定化剤を含有する部分安定化ジルコニア又は安定化ジルコニアを用いることができる。また、拡散抵抗層３１、多孔質保護層５は、例えば、アルミナ等のセラミックス材料にて構成される。ヒータ絶縁層６１、遮蔽層１３、スペーサ層１２は、アルミナ等の絶縁性セラミックス材料を用いて構成することができる。
【0044】
ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍの電極は、貴金属又は貴金属合金材料とジルコニア系固体電解質とを含む多孔質サーメット電極とすることができる。センサセル１ｓのセンサ電極２２は、検出しようとするＮＯｘに対して分解活性を有する電極材料を用いて構成される。このような電極としては、例えば、白金及びロジウムを含む電極（以下、Ｐｔ－Ｒｈ電極と称する）を用いることができる。
【0045】
図８に示すように、各セルの電極を構成する貴金属元素は、排ガスＧに含まれるガス種に対して、それぞれ異なる吸着エネルギ（分解性）を示し、ガス吸着性の高い順に、Ｒｈ＞Ｐｔ＞Ａｕとなっている。また、ガス種から見たとき、貴金属元素に対する吸着エネルギ（分解性）は、Ｏ2＞ＮＯ＞Ｈ2Ｏの順となっている。そのため、これら貴金属元素の組み合わせや金属比率を変更し、各セルに印加される電圧を調整することによって、各セルにおいて所望のガスを選択的に分解することが可能になる。
【0046】
ポンプセル１ｐのポンプ電極２１は、酸素の分解活性を有し、ＮＯｘ分解活性が低い電極材料を用いて構成される。このような電極としては、例えば、白金及び金を含む電極（以下、Ｐｔ－Ａｕ電極と称する）を用いることができる。モニタセル１ｍのモニタ電極２３も、ポンプ電極２１と同様の電極材料を用いて構成される。また、基準電極４１は、例えば、白金を含む電極（以下、適宜、Ｐｔ電極と称する）として構成することができる。
【0047】
これにより、ヒータＨによってセンサ素子１を所定の温度に加熱し、各セルの電極間に所定の電圧を印加することにより、ポンプセル１ｐにて所定の低酸素濃度に調整された排ガスＧ中のＮＯｘを、センサセル１ｓにて検出することができる。また、センサ電極２２に用いられるＰｔ－Ｒｈ電極と、モニタ電極２３に用いられるＰｔ－Ａｕ電極とのガス吸着性の違いを利用して、センサセル１ｓとモニタセル１ｍから出力される電流の差分値をＮＯｘ出力とすることで、排ガスＧに残留する酸素の影響をキャンセルすることができる。
【0048】
ただし、センサ電極２２を構成するＰｔ－Ｒｈ電極に含まれるＲｈが、ＮＯｘ及びＯ2に加えてＨ2Ｏに対しても分解活性を有することから、センサ電極２２に到達する排ガスＧ中にＨ2Ｏが含まれる場合には、これらの分解に起因する出力誤差が生じることになる。この出力誤差は、センサ制御部１０のＮＯｘ濃度算出部１００にて、予め取得したオフセット補正情報を用いて、出力補正を行う。センサ制御部１０による各部の制御と出力補正について、次に説明する。
【0049】
（センサ制御部１０の構成）
図１において、センサ制御部１０は、センサ素子１の各セルからの出力電流を検出する電流検出部１０Ａと、電流検出部１０Ａにて検出されるポンプセル電流Ｉｐ、センサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍに基づいて、ＮＯｘ濃度を算出するＮＯｘ濃度算出部１００と、を有する。また、センサ制御部１０は、センサ素子１によるＮＯｘ検出を制御する検出制御部２００と、ヒータＨによるセンサ素子１の加熱を制御するヒータ制御部３００と、を備える。
【0050】
センサ素子１の各セルは、検出端子Ｐ－及び検出端子Ｓ－、Ｍ－を介して、センサ制御部１０と接続され、ヒータＨの発熱体６２の両端は、一対のヒータ端子Ｈ＋、Ｈ－に接続されている。センサ制御部１０は、一対の通信用端子ＣＡＮ＋、ＣＡＮ－を介して、図示しないＥＣＵと接続されており、ＥＣＵからの指令を受けて、ＮＯｘ検出処理を行い、検出結果を出力可能となっている。また、センサ制御部１０は、電源端子ＶＢ及びグランド端子ＧＮＤを介して、図示しない車両用バッテリ及びグランドと、それぞれ接続されており、センサ制御部１０の各種回路やセンサ素子１のヒータＨ等への給電が可能となっている。
【0051】
ＮＯｘ濃度算出部１００は、記憶部や演算部を備えるマイコン等にて構成されており、電流検出部１０Ａから入力されるセンサ素子１の内部情報を用いて、予め記憶されたプログラムを実行すると共に所定の演算を行って、ＮＯｘ濃度を算出する。電流検出部１０Ａは、検出端子Ｐ－を介して、ポンプセル１ｐのポンプ電極２１に接続されると共に、検出端子Ｓ－、Ｍ－を介して、センサセル１ｓのセンサ電極２２及びモニタセル１ｍのモニタ電極２３に接続されている。電流検出部１０Ａは、例えば、電流検出用の抵抗を用いた検出回路を含み、抵抗の両端電位差から各セルの出力電流を検出可能に構成される。検出される出力電流は、アナログ／デジタル変換回路においてデジタル信号に変換されて、ＮＯｘ濃度算出部１００の各部へ入力される。
【0052】
検出制御部２００は、ポンプセル１ｐ、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍによる検出動作を、それぞれ制御する。検出制御部２００は、例えば、各セルの一対の電極間に電圧を印加するための電圧印加回路を備えており、制御指令に基づいて所定の電圧信号を生成し、共通端子ＣＯＭ＋を介して、共通の基準電極４１側に印加することができる。印加電圧は、例えば、ポンプセル１ｐの酸素ポンピングにより、被測定ガス室２内のＯ2濃度が所定の低濃度となるように、各セルを流れる電流が限界電流特性を示す範囲で調整される。
【0053】
ヒータ制御部３００は、センサ素子１に内蔵されるヒータＨへの通電を制御する。ヒータ制御部３００は、例えば、電源端子ＶＢに接続されるスイッチ回路を備えており、制御指令に基づいてスイッチ回路がオンオフ駆動されることにより、ヒータ端子Ｈ＋、Ｈ－を介して、ヒータＨへの給電を制御可能となっている。これにより、ヒータＨにより加熱されるセンサ素子１の各セルが、ＮＯｘ検出に適した温度に維持される。
【0054】
図３において、ＮＯｘ濃度算出部１００は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１と、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２と、センサセル温度情報検出部１０３と、ＮＯｘ濃度補正部１０４と、を有する。ＮＯｘ濃度算出部１００は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１において、電流検出部１０Ａにて検出されるセンサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍに基づいて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を算出する。具体的には、センサセル電流Ｉｓ及びモニタセル電流Ｉｍの差分値を算出して、残存酸素の影響を取り除いたＮＯｘ出力を算出し、予め試験等を行って取得したＮＯｘ出力とＮＯｘ濃度との関係に基づいて、対応するＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を算出する。
【0055】
図９中に実線で示されるように、センサ素子１からのＮＯｘ出力である差分値[Ｉｓ－Ｉｍ]と、分析計等によって計測される実際のＮＯｘ濃度（計測値）とは、本来であれば、ゼロ点を通る直線で表される関係となる。一方、図８中に点線で示されるように、ＮＯｘ出力にＨ2Ｏに起因する誤差が含まれる場合には、実際に検出される出力電流に基づく差分値（検出値）は、計測値に対して誤差が上乗せされた出力となる。そのため、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１は、実線で表される対応関係を、予めマップ化し又は算出式として記憶しておき、差分値（検出値）に対応する値を、ＮＯｘ出力誤差を補正する前のＮＯｘ濃度基準値Ｃ１として取得する。
【0056】
ＮＯｘ濃度補正部１０４は、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１に含まれる誤差を補正して、本来のＮＯｘ濃度を算出する。このとき、上述したように、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１に含まれる誤差は、Ｈ2Ｏ濃度に応じて増減し、また、温度特性を有することから、ＮＯｘ濃度補正部１０４には、これらの情報に基づくオフセット補正値Ｃ２を算出する、オフセット補正値算出部１０４Ａが設けられる。
【0057】
具体的には、図１０に示されるように、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉを、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２において検出すると共に、センサセル温度情報Ｔｉを、センサセル温度情報検出部１０３にて検出する。Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２では、例えば、ポンプセル１ｐから入力されるポンプセル電流Ｉｐに基づいて、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉを検出し、センサセル温度情報検出部１０３では、例えば、モニタセル１ｍから入力されるモニタセル電流Ｉｍに基づいて、センサセル温度情報Ｔｉを検出する。
【0058】
Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉは、例えば、ポンプセル電流Ｉｐから知られるＨ2Ｏ濃度であり、センサセル温度情報Ｔｉは、例えば、モニタセル電流Ｉｍから知られるモニタセル１ｍのセルインピーダンスＺacとすることができる。これら情報Ｃｉ、Ｔｉは、オフセット補正値算出部１０４Ａに入力されて、オフセット補正を行うためのオフセット補正値Ｃ２の算出に用いられる。
【0059】
図１１に示すように、オフセット補正値算出部１０４Ａには、予め試験等を行って取得されたオフセット補正値算出マップが記憶されている。マップは、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉと、オフセット補正値Ｃ２との関係の一例として、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度範囲（例えば、０％～約１３％）に対応するオフセット補正値Ｃ２を、センサ素子１の搭載環境における温度毎に示している。図示されるように、オフセット補正値Ｃ２は、Ｈ2Ｏ濃度が増加するほど、また、搭載環境温度が高くなるほど、大きな値となる。
【0060】
このような算出マップを用いることにより、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉに応じたオフセット補正値Ｃ２が得られ、上述したように、ＮＯｘ出力誤差を適切に補正することが可能になる（例えば、図５参照）。なお、ここでは、便宜的に、搭載環境にてセンサセル温度Ｔｓが取り得る温度範囲の上下限に相当する低温及び高温の温度域と、その中間となる中温の温度域における関係を示すが、例えば、搭載環境温度範囲の全体に対応させたマップ値等を用いて補正を行うようにしてももちろんよい。
【0061】
図１２に示すように、算出マップは、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度とＯ2濃度との関係から、Ｏ2濃度範囲（例えば、０％～約２１％）に対応するオフセット補正値Ｃ２を、センサ素子１の搭載環境における温度毎に示したものであってもよい。その場合には、上述した図１１の関係とは逆に、オフセット補正値Ｃ２は、Ｏ2濃度が増加するほど小さな値となり、また、搭載環境温度が高くなるほど、大きな値となる。排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度とＯ2濃度との関係については、後述する。
【0062】
算出マップは、例えば、図１３に示す試験装置４００を用いて取得することができる。試験装置４００は、排ガスＧを模したモデルガスＧ１を生成するガス混合部４０１と、ガス混合部４０１に接続される排ガス管４０２を備える。ガス混合部４０１には、Ｎ2ガス、Ｏ2ガス及びＣＯ2ガス他の各種ガスの供給管４０３が接続され、バルブ４０３Ａの開度を調整することにより、モデルガスＧ１中のガス混合比率やガス流量を調整可能となっている。排ガス管４０２は、ガス混合部４０１との接続部の外周囲にヒータ４０４が配置されて、流入するモデルガスＧ１を所定の温度に加熱可能となっており、ヒータ４０４よりも下流側の排ガス管４０２には、ガスセンサＳのセンサ本体１Ａが取り付けられ、その下流に配置される熱電対４０５及びガス濃度計測部４０６によって、モデルガスＧ１の温度や各種ガス濃度が計測可能となっている。
【0063】
このような試験装置４００において、以下の条件で、ガスセンサＳによるＮＯｘ濃度の測定を行い、ＮＯｘ出力とモデルガスＧ１の計測値と対比させることで、図１０に示した算出マップを得た。
Ｈ2Ｏ濃度:可変（０％～約１３％）
ガス温度:可変（７０℃、２００℃、５００℃）
ガス流量:設定値
制御温度：６００℃（ポンプセル温度Ｔｐ）
モデルガスＧ１は、ガス混合比率を変更することにより、Ｈ2Ｏ濃度が０％～約１３％の範囲（すなわち、Ｏ2濃度が約２１％～０％の範囲）となるように、ガス温度を７０℃～５００℃の範囲で３段階に変更した。ガス流量は、モデルガスＧ１中の各種ガスの流量をそれぞれ調整することにより、Ｈ2Ｏ濃度によらず同一流量となるように調整した。
【0064】
また、ガスセンサＳは、図示しないセンサ制御部１０に接続されており、制御温度となるポンプセル温度Ｔｐが一定となるように、ヒータ制御部３００による制御を行った。この制御温度を６００℃として、ガス温度を７０℃～５００℃の範囲で変化させたとき、センサ素子１のセンサセル温度Ｔｓは、以下のように変化した。
ガス温度：７０℃→センサセル温度Ｔｓ：６００℃
ガス温度：２００℃→センサセル温度Ｔｓ：６２０℃
ガス温度：５００℃→センサセル温度Ｔｓ：６５０℃
【0065】
図１４に示すように、センサ制御部１０は、ポンプセル温度Ｔｐを、例えば、ポンプセル１ｐのセルインピーダンスＺｐに基づいて検出することができる。ヒータ制御部３００は、例えば、検出されたポンプセル温度Ｔｐと所定の制御温度とを比較して、ヒータ通電用のデューティ比を設定し、ヒータＨをデューティ駆動する。このとき、ポンプセル１ｐが温度制御される一方で、センサセル１ｓは成り行きの温度制御となる。この要因（１）として、センサ素子１が取り付けられる排ガス通路ＥＸの通路壁ＥＸ１（例えば、図４参照）への熱引けがあり、また、要因（２）として、センサ素子１の周囲に存在する排ガスＧとの間の熱授受がある。
【0066】
被測定ガス室２において、センサセル１ｓは、ポンプセル１ｐよりもガス流れの下流側、センサ素子１の基端側に位置することから、これら要因（１）、（２）の影響が、ポンプセル１ｐとは異なる。また、ヒータＨの発熱体６２によるポンプセル１ｐ及びセンサセル１ｓの加熱は、必ずしも均一にはなされない。そのために、例えば、排ガスＧのガス温度が比較的高い場合には、排ガスＧに晒されて熱交換しやすいポンプセル１ｐを基準として温度制御すると、センサセル１ｓからの熱引けが進まずに、温度差が生じやすくなる可能性がある。
【0067】
そのような場合においても、ＮＯｘ濃度補正部１０４において、Ｈ2Ｏ濃度に基づくＮＯ出力誤差の温度特性を考慮することにより、上述したオフセット補正値算出マップを用いて、オフセット補正を良好に行うことができる。また、ポンプセル１ｐのセルインピーダンスＺｐを用いて、ポンプセル温度Ｔｐを応答性よく制御できるので、ポンプセル１ｐにおける酸素ポンピングによる酸素の排出を良好に行い、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉに対応するポンプセル電流Ｉｐを精度よく検出することができる。このように、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉに基づくオフセット補正によって、ＮＯｘ濃度を精度よく算出可能となる。
【0068】
ここで、図１３中に式（１）として示すように、未燃混合気には、炭化水素系の燃料（ＣmＨnＯo）と、空気過剰率λに応じた量の空気とが含まれており、空気には、大気中水蒸気濃度ｘに応じた量の水蒸気（以下、大気中水蒸気と称する）が含まれる。また、図１３中に式（２）として示すように、既燃ガスである排ガスＧは、燃料の燃焼により酸素が消費されて、空気過剰率λに応じた余剰の酸素が残り、二酸化炭素（すなわち、ＣＯ2）と水蒸気（以下、燃料由来水蒸気と称する）が生成する。排ガスＧに含まれる水蒸気（以下、排ガス中水蒸気と称する）は、燃料由来水蒸気と、大気中水蒸気に基づく水蒸気（以下、空気由来水蒸気と称する）からなり、空気由来水蒸気は、空気過剰率λと大気中水蒸気濃度ｘに応じて定まる。
【0069】
この関係から、空気過剰率λが１を超えて大きくなるほど、排ガスＧ中のＯ2濃度が増加し、相対的にＨ2Ｏ濃度が減少する。あるいは、空気過剰率λが小さくなるほど、Ｏ2濃度が減少し、相対的にＨ2Ｏ濃度が増加する。したがって、ポンプセル１ｐにおいて酸素の排出に伴うポンプセル電流Ｉｐを検出することにより、排ガスＧ中のＯ2濃度、さらには、Ｈ2Ｏ濃度を知ることができる。このとき、大気中水蒸気濃度ｘを考慮することが望ましく、実際の計測値又は推定値等を用いることもできるが、必ずしも容易ではない。一方、燃料由来水蒸気の振れ幅（例えば、約１３％）に対して、大気中水蒸気濃度ｘ（例えば、０．５％～３．５％）の影響は比較的軽微であるため、好適には、周辺環境に基づく一定の基準値（例えば、２％）を設定するとよい。
【0070】
図１５に示すように、排ガスＧ中のＯ2濃度と排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度との関係を、大気中水蒸気濃度ｘを０％又は２％として、上記式（１）、（２）の関係に基づいて算出し、実際の車両試験による評価結果と比較した。車両試験は、燃料のＨ／Ｃ比（ＣmＨnＯoにおけるｎ／ｍ比）を１．８８６として、空気過剰率λを変化させることにより、排ガスＧ中のＯ2濃度を変化させ、排ガスＧに含まれる実際のＨ2Ｏ濃度を測定した。その結果、大気中水蒸気濃度ｘを２％とした場合の特性線で示される関係と、ほぼ一致した。このように、大気中水蒸気濃度ｘの基準値を設定することで、容易にＨ2Ｏ濃度を算出することができる。なお、この基準値は、ガスセンサＳの搭載環境に応じて、例えば、地域や気候により異なる大気中水蒸気濃度ｘのばらつき等を考慮して、任意に設定することができる。
【0071】
また、図１６に示すように、エンジンに用いられる燃料性状が異なると、そのＨ／Ｃ比によって、排ガス中水蒸気も変動することから、Ｏ2濃度とＨ2Ｏ濃度との関係が変化する。図１３中の式（２）において、燃料由来水蒸気は［ｎ／２］で表され、燃料が酸素を含まず、Ｈ／Ｃ比が大きいほど、燃料由来水蒸気が増加する。そのため、Ｈ／Ｃ比（例えば、１．８～２．２）に応じて、図１６における特性線の傾きが変化し、また、図中に矢印で示すように、大気中水蒸気濃度ｘが０％から４％に増加することで、特性線が増加方向にシフトする。そのため、好適には、燃料性状を考慮して、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度を算出するのがよい。具体的には、基準となるＯ2濃度とＨ2Ｏ濃度との関係において、上記式（２）における空気由来水蒸気の項から、以下の算出式に基づく空気由来水蒸気を加算して、排ガス中水蒸気を算出することができる。
空気由来水蒸気＝［ｍ＋（ｎ/４）－（Ｏ／２）］×［ｘ/（１００－ｘ）/０．２０９］
【0072】
このように、本形態によれば、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとセンサセル温度情報Ｔｉとを用いることにより、ポンプセル１ｐを酸素ポンピングに適した状態に制御しつつ、負荷条件の変化等によるセンサセル１ｓの温度変動に対応して、適切なオフセット補正が可能になる。これにより、低負荷条件から高負荷条件までの広範囲な運転条件において、排ガスＧ中の水分に起因する出力の温度特性を補正し、ＮＯｘ濃度を精度よく算出することができる。
【0073】
（実施形態２）
ＮＯｘセンサに係る実施形態２について、図面を参照して説明する。本形態では、上述したセンサ制御部１０による検出制御と、ＮＯｘ濃度算出について、具体的な手順の一例を示す。図１７は、ＮＯｘ濃度算出部１００にて実施されるオフセット補正の手順を示すフローチャートであり、図１８には、検出制御部２００にてＮＯｘ検出のために実施されるの印加電圧制御のタイムチャートを示す。本形態のＮＯｘセンサＳにおいて、センサ素子１の基本構成及びセンサ制御部１０の基本制御は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
なお、実施形態２以降において用いた符号のうち、既出の実施形態において用いた符号と同一のものは、特に示さない限り、既出の実施形態におけるものと同様の構成要素等を表す。
【0074】
図１７のフローチャートの実施に先立ち、センサ制御部１０は、上記図１に示したヒータ制御部３００を駆動させて、センサ素子１のヒータＨへ通電し、ポンプセル温度Ｔｐに基づくフィードバック制御を開始する。また、検出制御部２００を駆動させて、所定の電圧信号を生成し、センサ素子１の共通電極４１側へ印加する。なお、図１７のフローチャートにおいて、ステップＳ１、ステップＳ２は、それぞれ、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２、センサセル温度情報検出部１０３に対応する。また、ステップＳ３は、オフセット補正値算出部１０４Ａに対応し、ステップＳ４、ステップＳ５は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１に対応し、ステップＳ６は、ＮＯｘ濃度補正部１０４に対応する。
【0075】
図１７のフローチャートが開始されると、ステップＳ１において、ポンプセル１ｐのポンプセル電流Ｉｐが、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとして検出される。検出制御部２００により、所定の直流電圧が印加されると、ポンプセル１ｐにおいて酸素ポンピングにより、被測定ガス室２の酸素が排出され、所定の低濃度に調整される。このとき流れるポンプセル電流Ｉｐは、上記図５に示したように、排ガスＧ中のＯ2濃度及びＨ2Ｏ濃度と、一定の関係を有することから、検出されたポンプセル電流Ｉｐを、Ｏ2濃度又はＨ2Ｏ濃度に変換することなく、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとしてオフセット補正値の算出に用いることができる。
【0076】
図１８の上段に示すように、検出制御部２００は、各セルの一対の電極間に、酸素ポンピングのための所定の直流電圧を印加すると共に、一定の周期で、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺac検出のための所定の交流電圧を印加する。このように、周期的に印加電圧を切り替え、図１８の下段に示すように、所定の検出タイミングｔ１、ｔ２において、対応する出力電流を検出することにより、オフセット補正のためのＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉを、センサ構成を大きく変更することなく取得することができる。
【0077】
ｔ１は、セルインピーダンスＺacを検出するためのＺac検出タイミングであり、交流の印加電圧の変化Δv（単位Ｖ）と、対応する出力電流の変化Δｉ（単位Ａ）との比率から、セルインピーダンスＺac（＝Δv／Δｉ）を算出することができる。また、ｔ２は、ガス濃度に応じた電流を検出するための濃度検出タイミングであり、直流の印加電圧により、酸素が基準電極４１側へ排出されるのに伴って発生する電流を検出することができる。このとき、モニタセル１ｍでは、モニタ電極２３において、残存酸素が分解することによる電流が発生する。また、センサセル１ｓでは、センサ電極２２において、ＮＯｘ及び残存酸素が分解すると共に、Ｈ2Ｏの分解による電流が発生する。
【0078】
ここで、図１９に示されるように、センサ素子１の各セルは、ジルコニア系材料からなる固体電解質体１１の抵抗（Ｒ）成分と容量（Ｃ）成分が、一対の電極間に電気的に並列に接続されたモデル図で表される。このうち、固体電解質体１１の抵抗成分（Ｒ）は、その温度と相関を有することが知られており、上記図１８に示したように、強制的に電圧（Δｖ)を印加し、発生した電流（Δｉ）を検出することで、素子内部の交流抵抗（Ｒ）を測定することが可能になる。
【0079】
ステップＳ２では、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃが、センサセル温度情報Ｔｉとして検出される。この検出は、検出制御部２００により、インピーダンス検出のための所定の交流電圧が印加されるＺac検出タイミングｔ１にて実施される。図２０に示されるように、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃは、センサセル１ｓのセルインピーダンスＺａｃとほぼ一致し、センサセル温度Ｔｓ（例えば、５００℃～７００℃）が上昇するほど、セルインピーダンスＺac（例えば、２００Ω～２５００Ω）が低くなると共に、その低下率が緩やかになる関係を示している。
【0080】
したがって、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃを、センサセル温度Ｔｓに対応するセンサセル温度情報Ｔｉとして、好適に用いることができる。なお、図２０に示される関係から、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃに代えて、センサセル１ｓのセルインピーダンスＺａｃを用いることもでき、その場合には、ＮＯｘ出力に対応するセンサセル１ｓの温度を直接検出できる利点がある。ただし、図１８中に示すように、ガス濃度を検出する際の電流検出レンジは、ｎＡオーダであるのに対し、インピーダンス検出に必要な電流検出レンジは、μＡ～ｍＡオーダであるため、両方に対応するようにすると出力電流の検出に必要な電流検出レンジが大きくなり、低電流側の電流の検出精度が低下するおそれがある。
【0081】
電流検出レンジについて補足すると、最大電流検出幅と分解能の関係は、以下のようになり、検出回路のＡＤコンバータのビット数に依存する。
最大電流検出幅＝最小電流検出値（分解能）×ＡＤ（Ｂｉｔ数）
つまり、分解能を細かくしようとすると、最大電流検出幅が小さくなり、例えば、分解能１ｎＡ、１２ＢｉｔＡＤコンバータでは、最大電流検出幅が４０９６ｎＡ（＝１ｎＡ×２12）となる。一方、セルインピーダンスＺａｃ検出はμＡ～ｍＡ（１０-3～１０-6Ａ)オーダの出力であるため、センサセル１ｓでｎＡの出力電流を検出しようとすると、分解能を維持したままでは、対応することができない。
【0082】
そのため、好適には、モニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃを用いることで、センサセル１ｓをｎＡオーダの電流検出に適した構成とすることができ、電流検出レンジを広げる必要がないので、ＮＯｘ検出への影響を抑制することができる。
【0083】
次いで、ステップＳ３において、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉに基づいて、オフセット補正値Ｃ２が算出される。Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとしては、ステップＳ１で検出されたポンプセル電流Ｉｐが、センサセル温度情報Ｔｉとしては、ステップＳ２で検出されたモニタセル１ｍのセルインピーダンスＺａｃとが用いられ、これら情報とオフセット補正値Ｃ２との関係を、予め算出マップ又は算出式等として記憶しておくことができる。
【0084】
ステップＳ４では、センサセル１ｓのセンサセル電流Ｉｓと、モニタセル１ｍのモニタセル電流Ｉｍが、センサセル温度情報Ｔｉとして検出される。この検出は、検出制御部２００により、所定の直流電圧が印加される濃度検出タイミングｔ２にて実施される。これにより、続くステップＳ５において、センサセル電流Ｉｓとモニタセル電流Ｉｍとの差分値［Ｉｓ－Ｉｍ］に対応するＮＯｘ濃度基準値Ｃ１が、上記図９に示した関係に基づいて算出される。
【0085】
その後、ステップＳ６において、ステップＳ５にて算出されたＮＯｘ濃度基準値Ｃ１から、ステップＳ５にて算出されたＮＯｘ濃度基準値Ｃ１から、ステップＳ３にて算出されたオフセット補正値Ｃ２が減算されることにより、ＮＯｘ濃度が算出されると、本処理は一旦終了される。
【0086】
このような手順で、ＮＯｘ濃度補正部１０４において、センサ素子１からの入力信号に基づくＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉとセンサセル温度情報Ｔｉとを用いて、オフセット補正値Ｃ２を算出し、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１に含まれる出力誤差を補正することができる。また、センサ素子１が、３セル構造である場合には、モニタセル１ｍからの出力電流を利用して、セルインピーダンスＺacを検出することにより、センサセル１ｓにおけるＮＯｘ検出を妨げることなく、効率よい電流検出を行い、回路構成を最適化して、精度よいＮＯｘ濃度の検出が可能になる。
【0087】
このとき、図１８に示されるように、検出制御部２００は、モニタセル１ｍに対して、残存酸素の監視のために、所定の直流電圧を印加する一方、周期的に、所定の交流電圧を印加して、インピーダンス検出のためのモニタセル電流Ｉｍを出力ささせる。ＮＯｘ濃度算出部１００は、所定の検出タイミングｔ１において、直流の印加電圧に対応して発生するモニタセル電流Ｉｍを取得し、センサセル温度情報検出部１０３は、所定の検出タイミングｔ２において、交流の印加電圧に対応して発生するモニタセル電流Ｉｍを取得することができる。
【0088】
ＮＯｘ濃度補正部１０４は、ＮＯｘ濃度基準値算出部１０１から入力されるＮＯｘ濃度基準値Ｃ１を、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２から入力されるＯ2濃度と、センサセル温度情報検出部１０３から入力されるモニタセル１ｍのセルインピーダンスＺacを用いて補正し、ＮＯｘ濃度を算出する。
【0089】
（実施形態３）
ＮＯｘセンサに係る実施形態３について、図面を参照して説明する。図２１にブロック図を示すように、本形態は、上述したセンサ制御部１０のＮＯｘ濃度算出部１００にて実施されるオフセット補正の他の例であり、センサセル温度情報Ｔｉとして、モニタセル１ｍから出力されるモニタセル電流Ｉｍを用いている。それ以外のセンサ素子１の基本構成及びセンサ制御部１０の基本制御は、上記実施形態２と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
【0090】
図２１において、ＮＯｘ濃度算出部１００は、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２に入力されるポンプセル電流Ｉｐを、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとして検出する。上記図５に示したように、ポンプセル電流Ｉｐは、被測定ガス室２に導入される排ガスＧ中のＯ2濃度に相当し、Ｈ2Ｏ濃度と相関を有することから、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとして用いられ、ＮＯｘ濃度補正部１０４のオフセット補正値算出部１０４Ａへ出力される。
【0091】
また、ＮＯｘ濃度算出部１００は、センサセル温度情報検出部１０３に入力されるモニタセル電流Ｉｍを、センサセル温度情報Ｔｉとして検出し、オフセット補正値算出部１０４Ａへ出力する。上記図４に示したように、被測定ガス室２のガス流れに対して、モニタセル１ｍとセンサセル１ｓとは同等位置にあり、ヒータＨにより同等温度に加熱されている。そのため、モニタセル１ｍの温度は、実質的にセンサセル温度Ｔｓに相当する。上記実施形態では、温度に対応するパラメータとしてセルインピーダンスＺacを用いたが、これに代えて、モニタセル電流Ｉｍを用いることができる。
【0092】
図２２に示すように、センサ素子１において、ポンプセル１ｐの一対の電極２１、４１間に、酸素ポンピングのための所定のポンプ電圧（例えば、約０．４Ｖ）が印加されるとき、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍの一対の電極間にも、同等の電圧が印加される。これにより、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍでは、センサ電極２２及びモニタ電極２３側から基準電極４１側へ、自由電子（すなわち、図中のｅ-）の移動が生じ、それに伴う電流の流れ（すなわち、図中に点線矢印で示す）が逆方向に生じる。この電流の流れが、温度依存性を有すると考えられることから、センサセル温度情報Ｔｓとして利用することができる。
【0093】
図２３に示すように、モニタセル電流Ｉｍは、センサセル１ｓの温度と相関があり、温度上昇に比例して自由電子の移動が促進されて電流が増加している。また、Ｈ2Ｏ濃度が高い場合には、電流が増加すると共に、特性線の傾きが変化しており、例えば、６００℃前後から７００℃前後の温度範囲において、モニタセル電流Ｉｍは、３０ｎＡ程度（Ｈ2Ｏ濃度０％）から５０ｎＡ程度（Ｈ2Ｏ濃度１３％）の増加を示している。そのため、モニタセル電流Ｉｍは、Ｈ2Ｏ濃度とも相関があり、自由電子の移動と共にＨ2Ｏの分解が生じることに伴い電流が増加していると推測される。
【0094】
ここで、上記図８に示したように、モニタセル１ｍのモニタ電極２３に用いられるＰｔ－Ａｕ電極は、Ｈ2Ｏの分解活性が低い電極として構成されており、Ｈ2Ｏ濃度が低い条件では、Ｈ2Ｏの分解による影響はほとんど生じない。ただし、セル温度又はＨ2Ｏ濃度が高くなると、Ｈ2Ｏの分解による出力が増加することから、好適には、Ｈ2Ｏ濃度を考慮した補正を行うことで、センサセル温度Ｔｓを精度よく検出できる。その場合には、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２にて検出されるＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉ（例えば、ポンプセル電流Ｉｐ）を補正に用いることができる。
【0095】
図２１において、ＮＯｘ濃度補正部１０４は、オフセット補正値算出部１０４Ａに入力されるポンプセル電流Ｉｐと、モニタセル電流Ｉｍとを用い、予め取得したＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉとセンサセル温度情報Ｔｉの関係を示す算出マップ等に基づいて、オフセット補正値Ｃ２を算出する。センサセル温度情報Ｔｉであるモニタセル電流Ｉｍは、予めＨ2Ｏ濃度に応じた補正を行ってもよいし、Ｈ2Ｏ濃度毎に用意された算出マップ等を用いてもよい。
【0096】
このように、センサセル温度情報Ｔｉをモニタセル電流Ｉｍとしてもよく、取得されたオフセット補正値Ｃ２を用いて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１をオフセット補正することにより、ＮＯｘ濃度を精度よく算出することができる。なお、モニタセル電流Ｉｍと同様に、センサセル電流Ｉｓも温度依存性を有すると考えられるが、センサ電極２２がＲｈを含むために、Ｈ2Ｏに対する分解活性がモニタ電極２３よりも高く、Ｈ2Ｏによる電流増加分と温度による電流増加分とを分離することが難しい。これに対して、モニタ電極２３では、Ｈ2Ｏの分解が少ないため、センサセル温度情報Ｔｉとして利用することが可能になる。
【0097】
ここで、図２４に示すように、センサ素子１において、センサセル１ｓの一対の電極２２、４１間に印加される電圧（Ｖｓ；単位Ｖ）を可変させると、ＮＯｘ出力は、Ｈ2Ｏ濃度に応じて増加する。例えば、Ｈ2Ｏ濃度が１３％の場合には、印加電圧が０．３５Ｖ以上になると、ＮＯｘ出力が急増する。Ｈ2Ｏ濃度が０％の場合は、印加電圧によるＮＯｘ出力は、ほとんど変化していないことから、Ｈ2Ｏが存在する場合に、印加電圧が高くなることでＨ2Ｏの分解が促進されると考えられる。そのため、センサ電極２２がＰｔ－Ｒｈ電極である場合には、印加電圧をＨ2Ｏが分解されない電圧範囲に設定し、あるいは、電極材料や合金比率を変更する等の調整が必要となる。
【0098】
そのような場合でも、上述したように、ＮＯｘ濃度補正部１０４にて、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉ及びセンサセル温度情報Ｔｉを用いたオフセット補正を行うことにより、Ｈ2Ｏ濃度によらず、また、センサセル温度Ｔｓが変動しても、好適な補正を行うことができる。その場合には、センサ電極２２がＲｈを含む電極であり、印加電圧が０．３５Ｖ以上に設定されるのがよく、オフセット補正を効果的に行うことができる。また、Ｒｈを含むセンサ電極２２に０．３５Ｖ以上の電圧を印加することにより、電極寿命の向上が期待される。印加電圧は、好適には、０．４５Ｖ程度ないしそれ以下の範囲で、適宜設定することができ、高精度かつ長寿命なＮＯｘセンサＳを実現可能となる。
【0099】
また、図２５に示すように、センサセル温度情報Ｔｉとして、センサセル１ｓを加熱するヒータＨのヒータ抵抗を用いることもできる。センサ素子１において、ヒータＨは、その発熱体６２への通電により温度制御されており、ヒータ絶縁層６１及び固体電解質体１１を介して（例えば、図１参照）、熱伝達により加熱されるセンサセル１ｓの温度と、一定の関係にある。具体的には、図２６の上図に示すように、ヒータ温度が常温（２０℃）から最大温度Ｔａ（単位：℃）の範囲で制御されるとき、ヒータ抵抗の範囲は、例えば、２Ω～８Ω程度となり、図２６の下図に示すように、ヒータ温度の範囲（常温～Ｔａ）に対して、センサセル温度Ｔｓは、例えば、常温から最大温度Ｔｂ（単位：℃；Ｔｂ＜Ｔａ）の範囲で、ヒータ温度に比例して温度上昇する。
【0100】
この関係から、図２５に示すヒータ抵抗とセンサセル温度Ｔｓとの関係が得られ、ヒータ抵抗に応じて、例えば、常温～７００℃程度の範囲のセンサセル温度Ｔｓを検出することができる。また、ヒータ抵抗は、ヒータ制御のために温度情報が常時取得されていることから、センサセル温度情報Ｔｉを取得するための回路構成の変更等が不要であり、従来の構成を利用して、センサセル温度情報Ｔｉを考慮したオフセット補正が容易にできる。このように、センサセル温度情報Ｔｉは、モニタセル電流ＩｍやセルインピーダンスＺacに限らず、センサセル温度Ｔｓと相関を有し、センサセル温度Ｔｓを推測可能な情報であればよい。
【0101】
（実施形態４）
ＮＯｘセンサに係る実施形態４について、図面を参照して説明する。
上記実施形態では、ＮＯｘ濃度算出部１００において、センサ素子１からの検出信号等の内部情報を用いて、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉを取得したが、図２７にブロック図を示すように、センサ素子１の外部情報を用いて、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度を推定し（以下、Ｈ2Ｏ濃度推定値と称する）、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとすることもできる。外部情報は、具体的には、エンジンの各部からＥＣＵに入力される検出信号に基づく運転情報や、エンジン燃焼に用いられる燃料性状等の燃料情報、ガスセンサＳの外部環境に基づく環境情報等、排ガスＧに含まれるＨ2Ｏ濃度に影響する情報を用いることができる。本形態のＮＯｘセンサＳにおいて、センサ素子１の基本構成及びセンサ制御部１０の基本制御は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
【0102】
図２７のブロック図は、ＮＯｘ濃度算出部１００のＨ2Ｏ濃度情報検出部１０２において、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉを取得するために実施される手順［Ａ］～手順［Ｃ］を示している。手順［Ａ］では、エンジンの運転情報に基づいて、エンジンの燃焼室における未燃混合気のＯ2濃度を算出し、手順［Ｂ］では、未燃混合気の燃焼により生じるＨ2Ｏ濃度を算出し、さらに、手順［Ｃ］において、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度を算出する。手順［Ａ］は、変形例としての手順［ａ］によって、Ｏ2濃度を算出してもよい。以下、各手順について、説明する。
【0103】
手順［Ａ］において、Ｈ2Ｏ濃度情報検出部１０２は、エンジンの運転情報として、ＥＣＵにて取得されるトルクと回転数とを用い、Ｏ2濃度換算マップ１１１を用いて、Ｏ2濃度を算出する。図２８に示すように、Ｏ2濃度換算マップ１１１は、予め試験等を行って取得された関係をマップ化したものである。図中には、Ｏ2濃度５％、１０％、１５％となる領域を一例として示しており、トルクが大きいほど又は回転数が低いほど、Ｏ2濃度が低下する関係にある。取得されたＯ2濃度は、手順［Ｂ］にて用いられる。
【0104】
手順［Ａ］に代えて、手順［ａ］を用いる場合には、エンジンの運転情報として、吸入空気量と燃料噴射量とを用い、エンジンが、排ガス再循環（Ｅｘｈａｕｓｔ Ｇａｓ Ｒｅｃｉｒｃｕｌａｔｉｏｎ；ＥＧＲ）システムを採用している場合には、吸入空気量にＥＧＲガス量を加算して用いる。これら情報を用いて、演算部１１２において、予め知られる関係に基づく演算を行って、Ａ／Ｆ値を算出する。次いで、Ｏ2濃度換算マップ１１３を用いて、Ａ／Ｆ値をＯ2濃度に変換する。取得されたＯ2濃度は、手順［Ｂ］にて用いられる。
【0105】
手順［Ｂ］では、手順［Ａ］又は手順［ａ］において取得したＯ2濃度と、エンジンに用いられる燃料のＨ／Ｃ比とから、Ｈ2Ｏ濃度換算マップ１１４を用いて、燃料の燃焼により生じたと推定されるＨ2Ｏ濃度を算出する。算出されたＨ2Ｏ濃度は、手順［Ｃ］の演算部１１６において、大気中のＨ2Ｏ濃度が加算されて、排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度が算出され、Ｈ2Ｏ濃度推定値として出力される。大気中のＨ2Ｏ濃度は、大気中Ｈ2Ｏ算出部１１５にて取得される。
【0106】
図２９の上図に示すように、Ｈ2Ｏ濃度換算マップ１１４において、Ｏ2濃度とＨ2Ｏ濃度の関係は、使用される燃料によって異なり、ここでは、以下の２種の燃料を例示する。
ＨＶＯ（水素バイオディーゼル燃料） Ｃ／Ｈ＝２．１５１
軽油（品質規格ＥＮ５９０） Ｃ／Ｈ＝１．８８６
上述したように、燃料性状によって、燃料のＨ／Ｃ比が異なると燃焼により生成する水蒸気量も異なる（例えば、図１６参照）。その場合には、上記図１３中に示した式に基づいて、例えば、Ｃ／Ｈ＝１．８８６の軽油が完全燃焼した場合には、Ｈ2Ｏ濃度１２．５％となり、Ｃ／Ｈ＝２．１５１のＨＶＯが完全燃焼した場合には、Ｈ2Ｏ濃度１３．６％となる。このように、Ｈ／Ｃ比によって、Ｏ2濃度とＨ2Ｏ濃度の相関がわずかに変わることから、好適には、使用される燃料に応じて予め取得した関係に基づくマップを用いて、燃料性状を考慮したＨ2Ｏ濃度を算出することが望ましい。
【0107】
また、大気中Ｈ2Ｏ算出部１１５において、大気中のＨ2Ｏ濃度は、ＥＣＵにて取得されるＮＯｘセンサＳの環境情報等から、温度と気圧と湿度とを用いて算出される。図２９の下図に示すように、大気中の最大水蒸気濃度は、温度と気圧によって定まり、例えば、大気圧であるときに、図示の関係となる。このとき、最大水蒸気濃度は、温度が高くなるほど最大水蒸気濃度が増加する関係となり、さらに、湿度情報を用いることで、大気中のＨ2Ｏ濃度を算出することができる。例えば、図中に示すように、大気圧で２８℃、湿度５０％の場合には、最大水蒸気濃度の５０％に対応する約２％が、大気中のＨ2Ｏ濃度となる。
【0108】
このようにして、手順［Ａ］～手順［Ｃ］によりＨ2Ｏ濃度推定値が算出され、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとして、ＮＯｘ濃度補正部１０４へ出力される。ＮＯｘ濃度補正部１０４では、上記実施形態と同様にして、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとセンサセル温度情報Ｔｉとを用いて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１をオフセット補正する。このように、外部情報に基づいて、Ｈ2Ｏ濃度情報ＣｉとなるＨ2Ｏ濃度を算出する場合には、エンジンの運転情報のみならず、燃料情報や環境情報等を考慮することで、高い精度で排ガスＧ中のＨ2Ｏ濃度を推定することができる。
【0109】
（実施形態５）
ＮＯｘセンサに係る実施形態５について、図面を参照して説明する。
上記実施形態では、ＮＯｘ濃度算出部１００において、センサ素子１からの検出信号等の内部情報を用いて、センサセル温度情報Ｔｉを取得したが、センサ素子１の外部情報を用いて、センサセル温度Ｔｓを推定し（以下、センサセル温度推定値と称する）、センサセル温度情報Ｔｉとすることもできる。外部情報としては、エンジンの運転情報や環境情報等の種々の情報を用いることができる。本形態のＮＯｘセンサＳにおいて、センサ素子１の基本構成及びセンサ制御部１０の基本制御は、上記実施形態１と同様であり、以下、相違点を中心に説明する。
【0110】
本形態では、具体的には、センサ素子１の外部における被測定ガス情報である排ガス情報に基づいて、センサセル温度Ｔｓを推定することができる。排ガス情報には、センサ素子１の搭載位置付近における排ガスＧのガス温度やガス流量等のエンジンの運転に関する情報が含まれる。これらガス温度やガス流量は、例えば、ＥＣＵからの情報として、センサ制御部１０のセンサセル温度情報検出部１０３に入力される。
【0111】
図３０に示すように、ＮＯｘセンサＳのセンサ本体１Ａは、ハウジングＳ１が、排ガス通路ＥＸの通路壁ＥＸ１に固定されており、ハウジングＳ１に収容されるセンサ素子１は、排ガス通路ＥＸ内に位置している。上述したように、センサ素子１の各部の温度は、必ずしも同等温度とはならず、その要因（１）として、ハウジングＳ１から通路壁ＥＸ１への熱引けがあり、また要因（２）として、排ガスＧとの間の熱授受が挙げられる。このとき、排ガスＧのガス温度やガス流量によって、排ガスＧとの間の熱授受が変化し、例えば、素子カバーＳ２から導入されて、センサ素子１の先端へ到達する排ガスＧのガス温度やガス当たりが変化する。これにより、センサ素子１の制御温度を維持するために、ヒータ制御部３００によるヒータＨへの投入電力量が変化すると、熱引けと熱授受のバランスがくずれやすくなる。
【0112】
その場合に、上記１４に示したように、センサ素子１の内部において、ポンプセル１ｐの下流側に位置するセンサセル１ｓの温度は、排ガスＧのガス温度やガス流量の影響を受けて、ヒータＨの制御温度から外れやすくなる。そこで、図３１に示すように、予め試験等を行って、センサ素子１の搭載位置における排ガス温度及び排ガス流量と、センサセル温度Ｔｓとの関係を取得し、マップ化しておくことにより、排ガス情報に基づいてセンサセル温度推定値を取得することができる。
【0113】
このようにして取得されたセンサセル温度推定値は、センサセル温度情報Ｔｉとして、ＮＯｘ濃度補正部１０４へ出力される。ＮＯｘ濃度補正部１０４では、上記実施形態と同様にして、Ｈ2Ｏ濃度情報Ｃｉとセンサセル温度情報Ｔｉとを用いて、ＮＯｘ濃度基準値Ｃ１をオフセット補正する。このように、センサセル温度情報Ｔｉについても、外部情報に基づいて取得することができ、ポンプセル１ｐの温度を基準としてヒータ制御されるＮＯｘセンサＳにおいて、ポンプセル１ｐの下流側に位置するセンサセル１ｓの温度を、高い精度で推定することができる。
【0114】
ここで、図３２に示すように、センサ素子１の内部構造と、ＮＯｘ出力オフセットの関係を、エンジンの運転条件を変えて比較した。図中の１チャンバは、上記図４に示したように、単一空間からなる被測定ガス室２に、ポンプセル１ｐとセンサセル１ｓ及びモニタセル１ｍが配置されるセンサ素子１であり、負荷条件によって、ＮＯｘ出力オフセットが大きく変化した。図中の複数チャンバは、被測定ガス室２が複数に区画されて、ポンプセル１ｐと、センサセル１ｓ及びモニタセル１ｍとが、別チャンバに配置されるセンサ素子１であり、ＮＯｘ出力オフセットの変化は、より小さい。
【0115】
運転条件は、ＷＬＴＣモードによる走行試験において、アイドリング状態に相当する低負荷条件と、１３０ｋｍ／ｈ走行状態に相当する高負荷条件とにおけるセンサ出力を測定した。また、各条件において、排ガスＧ中のＯ2濃度を分析計にて測定したところ、以下のようになった。
低負荷条件：Ｏ2濃度１０％、排ガス温度１３０℃
高負荷条件：Ｏ2濃度９％、排ガス温度３５０℃
【0116】
測定されたＯ2濃度は、各条件においてほぼ一致することから、ＮＯｘ出力オフセットの変化は、実質的に、センサセル１ｓにおけるＨ2Ｏの分解反応が温度特性を有することを示していると考えられる。その理由は必ずしも明らかではないが、１チャンバのセンサ素子１において、上述した排ガスＧとの熱授受やヒータＨの制御の影響で、センサセル１ｓの温度が上昇しやすくなり、特に高負荷側において、ＮＯｘ出力オフセットが増加すると推測される。そのような場合でも、上記各実施形態のように、センサ制御部１０のＮＯｘ濃度算出部１００において、オフセット補正を行うことにより、低負荷条件から高負荷条件まで、ＮＯｘ濃度を精度よく算出することができる。
【0117】
本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。また、各実施形態における構成を組み合わせたり、一部を変更したりしてもよく、例えば、上記実施形態４のＨ2Ｏ濃度情報Ｃｉと上記実施形態５のセンサセル温度情報Ｔｉとを組み合わせてもよい。また、ＮＯｘセンサＳは、車両用エンジンからの排ガスＧに限らず、各種内燃機関等から排出されるガスを被測定ガスとするＮＯｘ検出に適用することができる。
【符号の説明】
【0118】
１ センサ素子
１ｐ ポンプセル（第１セル）
１ｓ センサセル（第２セル）
１０１ ＮＯｘ濃度基準値算出部
１０２ Ｈ2Ｏ濃度情報検出部
１０３ センサセル温度情報検出部
１０４ ＮＯｘ濃度補正部
２ 被測定ガス室
Ｉｐ ポンプセル電流（第１信号）
Ｉｓ センサセル電流（第２信号）
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
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