JP2017146205A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガス濃度の検出精度を向上させる。【解決手段】マルチガス検出装置は、電源からヒータ１６０への電力供給がパルス幅変調によって制御されることにより第１固体電解質体２１２の温度が制御されるとともに、排気ガス内におけるアンモニアの濃度に応じて一対の第１基準電極２１１と第１検知電極２１３との間に起電力が生じる第１アンモニア検出部１０２の起電力を用いて、アンモニアの濃度を検出する。そしてマルチガス検出装置は、電源の出力電圧の変動に起因して発生するアンモニア起電力の変動量（すなわち、オフセット電圧）を算出する。またマルチガス検出装置は、算出された変動量を用いて、第１アンモニア検出部１０２で生じたアンモニア起電力を補正する。【選択図】図２

Description

本発明は、被検出雰囲気中に存在するガスの濃度を検出するガス検出装置に関する。

近年、ガソリンエンジンおよびディーゼルエンジンなどの内燃機関から排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する技術として、尿素ＳＣＲ（選択触媒還元）システムが注目されている。尿素ＳＣＲシステムは、アンモニア（ＮＨ_３）と窒素酸化物（ＮＯｘ）とを化学反応させて、窒素酸化物を窒素（Ｎ_２）に還元することにより、排気ガスに含まれる窒素酸化物を浄化するシステムである。

この尿素ＳＣＲシステムでは、窒素酸化物に対して供給されるアンモニアの量が過剰になると、未反応のアンモニアが排気ガスに含まれたまま外部に放出されるおそれがあった。このようなアンモニアの放出を抑制するために、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を含む複数種類のガス濃度を測定可能なマルチガスセンサが尿素ＳＣＲシステムに用いられている。

このようなマルチガスセンサとして、参照電極と検知電極との間に固体電解質体を挟んで構成されたアンモニアセンサをＮＯｘセンサに取り付けたものが知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１３−２２１９３０号公報

ガス濃度を検出することが可能な状態となる活性化温度までアンモニアセンサを加熱するために、パルス幅変調で通電制御されるヒータを用いる場合には、ヒータへの通電のオンとオフとが切り替わるときにグランドレベルが瞬間的に変動する。アンモニアセンサを構成する固体電解質体は参照電極と検知電極との間でインピーダンス（抵抗成分および容量成分）を有する。このため、グランドレベルが瞬間的に変動すると、参照電極と検知電極との間に生じる起電力は所定の時定数遅れて変動することとなり、これにより、アンモニアセンサの検出精度が低下してしまう恐れがあった。

本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、ガス濃度の検出精度を向上させる技術を提供することを目的とする。

上記目的を達成するためになされた本発明は、固体電解質体と、固体電解質体上に配置される一対の電極と、固体電解質体を加熱するヒータとを備え、電源からヒータへの電力供給がパルス幅変調によって制御されることにより固体電解質体の温度が制御されるとともに、被検出雰囲気内における検出対象ガスの濃度に応じて一対の電極の間に起電力が生じるガスセンサの起電力を用いて、検出対象ガスの濃度を検出するガス検出装置である。なお、被検出雰囲気とは、ガス検出装置の検出対象となるガス雰囲気をいう。

そして、本発明のガス検出装置は、変動量算出部と、補正部とを備える。変動量算出部は、電源の出力電圧の変動に起因して発生する起電力の変動量を算出する。補正部は、変
動量算出部により算出された変動量を用いて、ガスセンサで生じた起電力を補正する。

これにより、本発明のガス検出装置は、電源の出力電圧の変動に起因して発生する起電力の変動の影響を低減することができ、ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
また本発明のガス検出装置では、被検出雰囲気内における酸素の濃度を検出する酸素検出部を備え、変動量算出部は、更に、酸素検出部により検出された酸素の濃度に基づいて、変動量を補正するようにしてもよい。

これにより、本発明のガス検出装置は、被検出雰囲気内における酸素の濃度に応じてガスセンサのインピーダンスが変化することに起因して発生する起電力の変動の影響を低減することができ、ガス濃度の検出精度を更に向上させることができる。

また本発明のガス検出装置では、補正部が、ガスセンサで生じた起電力から、変動量算出部で算出された変動量を減算することにより、起電力を補正するようにしてもよい。
これにより、本発明のガス検出装置は、ガスセンサで生じた起電力から変動量を減算するという簡便な演算により起電力を補正することができ、ガス検出装置の演算処理負荷を低減することができる。

また本発明のガス検出装置では、補正部が、パルス幅変調によりヒータへの通電がオンからオフへ切り替わった時点から、予め設定された検出時間が経過した後における起電力を用いて、起電力を補正するようにしてもよい。

このように構成された本発明のガス検出装置は、ヒータへの通電が行われていないときにおける起電力を用いて、検出対象ガスの濃度を検出する。このため、本発明のガス検出装置は、ヒータに電流が流れていることに起因して発生する起電力の変動の影響を低減することができ、ガス濃度の検出精度を更に向上させることができる。

マルチガスセンサ２の内部構造を示す断面図である。 センサ素子部５と制御部３の概略構成を示す図である。 第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３の構造を示す断面図である。 アンモニア濃度算出処理を示すフローチャートである。 ヒータ１６０の印加電圧とアンモニア起電力の時間変化を示すグラフである。 電源の出力電圧毎にアンモニア起電力と酸素濃度との対応関係を示すグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面とともに説明する。
本発明が適用された実施形態のマルチガス検出装置１は、車両に搭載され、ディーゼルエンジンから排出される排気ガスに含まれる窒素酸化物（ＮＯｘ）を浄化する尿素ＳＣＲ（Selective Catalytic Reduction）システムに用いられるものである。より具体的には、マルチガス検出装置１は、排気ガスに含まれるＮＯｘとアンモニア（尿素）とを反応させた後の排気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）、二酸化窒素（ＮＯ_２）およびアンモニアの濃度を測定する。以下、マルチガス検出装置１を搭載する車両を自車両という。

マルチガス検出装置１は、図１に示すマルチガスセンサ２と、図２に示す制御部３とを備える。
マルチガスセンサ２は、図１に示すように、センサ素子部５と、主体金具１０と、セパレータ３４と、接続端子３８とを備える。なお、以下の説明では、マルチガスセンサ２の
センサ素子部５が配置されている側（図１の下側）を先端側、接続端子３８が配置されている側（図１の上側）を後端側という。

センサ素子部５は、軸線Ｏ方向に延びる板形状を有する。センサ素子部５の後端には電極端子部５Ａ，５Ｂが配置されている。図１においては、図示を容易にするために、センサ素子部５に形成された電極端子部を、電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂのみとしているが、実際には、後述するＮＯｘ検出部１０１、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３が有する電極等の数に応じて複数の電極端子部が形成されている。

主体金具１０は、マルチガスセンサ２をディーゼルエンジンの排気管に固定するネジ部１１が外表面に形成された筒状の部材である。主体金具１０は、軸線Ｏ方向に貫通する貫通孔１２と、貫通孔１２の径方向内側に突出する棚部１３とを備える。棚部１３は、貫通孔１２の径方向外側から中心に向かって先端側へ近づく傾きを有する内向きのテ―パ面として形成されている。

主体金具１０は、センサ素子部５の先端側を、貫通孔１２から先端側に突出させ、センサ素子部５の後端側を貫通孔１２の後端側に突出させた状態で保持する。
主体金具１０の貫通孔１２の内部には、先端側から後端側に向かって順に、センサ素子部５の径方向周囲を取り囲む筒状の部材であるセラミックホルダ１４と、粉末充填層である滑石リング１５，１６と、セラミックスリーブ１７とが積層されている。

セラミックスリーブ１７と主体金具１０の後端側の端部との間には、加締めパッキン１８が配置されている。セラミックホルダ１４と主体金具１０の棚部１３との間には、金属ホルダ１９が配置されている。金属ホルダ１９は、滑石リング１５とセラミックホルダ１４を保持する。主体金具１０の後端側の端部は、加締めパッキン１８を介してセラミックスリーブ１７を先端側に向かって押し付けるように加締められる部分である。

主体金具１０の先端側の端部には、外部プロテクタ２１および内部プロテクタ２２が設けられている。外部プロテクタ２１および内部プロテクタ２２は、先端側の端部が閉塞されたステンレス鋼などの金属材料から形成された筒状の部材である。内部プロテクタ２２は、センサ素子部５の先端側の端部を覆った状態で主体金具１０に溶接され、外部プロテクタ２１は、内部プロテクタ２２を覆った状態で主体金具１０に溶接されている。

主体金具１０の後端側の端部には、筒状に形成された外筒３１の先端側の端部が固定されている。さらに、外筒３１の後端側の端部である開口には、この開口を閉塞するグロメット３２が配置されている。

グロメット３２には、リード線４１が挿入されるリード線挿入孔３３が形成されている。リード線４１は、センサ素子部５の電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂに電気的に接続される。

セパレータ３４は、センサ素子部５の後端側に配置された筒状に形成された部材である。セパレータ３４の内部に形成された空間は、軸線Ｏ方向に貫通する挿入孔３５である。セパレータ３４の外表面には、径方向外側に突出する鍔部３６が形成されている。

セパレータ３４の挿入孔３５には、センサ素子部５の後端部が挿入され、電極端子部５Ａ，５Ｂがセパレータ３４の内部に配置される。
セパレータ３４と外筒３１との間には、筒状に形成された保持部材３７が配置されている。保持部材３７は、セパレータ３４の鍔部３６と接触するとともに、外筒３１の内面と
接触することにより、セパレータ３４を外筒３１に対して固定した状態で保持する。

接続端子３８は、セパレータ３４の挿入孔３５内に配置される部材であり、センサ素子部５の電極端子部５Ａおよび電極端子部５Ｂと、リード線４１とをそれぞれ独立に電気的に接続する導電部材である。なお、図１では、図示を容易にするために、２つの接続端子３８のみが図示されている。

マルチガス検出装置１の制御部３は、図２に示すように、自車両に搭載された電子制御装置２００と電気的に接続されている。電子制御装置２００は、制御部３で算出された排気ガス中のＮＯ濃度、ＮＯ_２濃度およびアンモニア濃度を示すデータを受信し、受信データに基づいてディーゼルエンジンの運転状態の制御処理を実行したり、触媒に蓄積されたＮＯｘの浄化処理を実行したりする。

センサ素子部５は、ＮＯｘ検出部１０１と、第１アンモニア検出部１０２と、第２アンモニア検出部１０３（図３を参照）を備える。第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は、ＮＯｘ検出部１０１の長手方向（図２の左右方向）における基準電極１４３と略同位置において、ＮＯｘ検出部１０１の幅方向（図２の奥行き方向）における位置が互いに異なるように並列に配置されている。このため、図２では、第１アンモニア検出部１０２と第２アンモニア検出部１０３のうち、第１アンモニア検出部１０２のみを示している。

ＮＯｘ検出部１０１は、絶縁層１１３、セラミック層１１４、絶縁層１１５、セラミック層１１６、絶縁層１１７、セラミック層１１８、絶縁層１１９および絶縁層１２０が順次積層されて構成されている。絶縁層１１３，１１５，１１７，１１９，１２０は、アルミナを主体として形成されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、セラミック層１１４とセラミック層１１６との間に形成される第１測定室１２１を備える。ＮＯｘ検出部１０１は、第１測定室１２１に隣接するようにしてセラミック層１１４とセラミック層１１６との間に配置された拡散抵抗体１２２を介して、外部から第１測定室１２１の内部に排気ガスを導入する。拡散抵抗体１２２は、アルミナ等の多孔質材料で形成されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、第１ポンピングセル１３０を備える。第１ポンピングセル１３０は、固体電解質層１３１と、ポンピング電極１３２，１３３を備える。
固体電解質層１３１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。第１測定室１２１と接触する領域における一部分のセラミック層１１４が除去され、セラミック層１１４の代わりに固体電解質層１３１が充填されている。

ポンピング電極１３２，１３３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１３２は、固体電解質層１３１において第１測定室１２１と接触する面上に配置される。ポンピング電極１３３は、固体電解質層１３１を挟んでポンピング電極１３２とは反対側で固体電解質層１３１の面上に配置される。ポンピング電極１３３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１３は除去され、絶縁層１１３の代わりに多孔質体１３４が充填される。多孔質体１３４は、ポンピング電極１３３と外部との間でガス（酸素）の出入りを可能とする。

ＮＯｘ検出部１０１は、酸素濃度検出セル１４０を備える。酸素濃度検出セル１４０は、固体電解質層１４１と、検知電極１４２と、基準電極１４３を備える。
固体電解質層１４１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。固体電解質層１３１よりも後端側（図２の右側）の領域における一部分のセラミッ
ク層１１６が除去され、セラミック層１１６の代わりに固体電解質層１４１が充填されている。

検知電極１４２と基準電極１４３は、白金を主体として形成されている。検知電極１４２は、固体電解質層１４１における第１測定室１２１と接触する面上に配置される。基準電極１４３は、固体電解質層１４１を挟んで検知電極１４２とは反対側で固体電解質層１４１の面上に配置される。

ＮＯｘ検出部１０１は、基準酸素室１４６を備える。基準酸素室１４６は、基準電極１４３が配置された領域とその周辺の領域の絶縁層１１７が除去されることにより形成された貫通孔である。

ＮＯｘ検出部１０１は、第２測定室１４８を備える。第２測定室１４８は、検知電極１４２および基準電極１４３よりも後端側で固体電解質層１４１および絶縁層１１７を貫通して形成される。ＮＯｘ検出部１０１は、第１測定室１２１から排出された排気ガスを第２測定室１４８の内部に導入する。

ＮＯｘ検出部１０１は、第２ポンピングセル１５０を備える。第２ポンピングセル１５０は、固体電解質層１５１と、ポンピング電極１５２，１５３を備える。
固体電解質層１５１は、酸素イオン導電性を有するジルコニアを主体として形成されている。基準酸素室１４６および第２測定室１４８と接触する領域とその周辺の領域のセラミック層１１８が除去され、セラミック層１１８の代わりに固体電解質層１５１が充填されている。

ポンピング電極１５２，１５３は、白金を主体として形成されている。ポンピング電極１５２は、固体電解質層１５１において第２測定室１４８と接触する面上に配置される。ポンピング電極１５３は、基準酸素室１４６を挟んで基準電極１４３とは反対側で固体電解質層１５１の面上に配置される。基準酸素室１４６の内部において、ポンピング電極１５３を覆うように多孔質体１４７が配置されている。

ＮＯｘ検出部１０１は、ヒータ１６０を備える。ヒータ１６０は、白金を主体として形成され、通電されることで発熱する発熱抵抗体であり、絶縁層１１９と絶縁層１２０との間に配置される。

第１アンモニア検出部１０２は、ＮＯｘ検出部１０１の外表面、より具体的には、絶縁層１２０の上に形成されている。第１アンモニア検出部１０２は、ＮＯｘ検出部１０１における基準電極１４３と軸線Ｏ方向（図２の左右方向）に略同位置に配置されている。

第１アンモニア検出部１０２は、絶縁層１２０の上に形成される第１基準電極２１１と、第１基準電極２１１の表面および側面を覆う第１固体電解質体２１２と、第１固体電解質体２１２の表面に形成される第１検知電極２１３とを備える。そして第１アンモニア検出部１０２は、第１基準電極２１１と第１検知電極２１３との間の起電力変化によって、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を検出する。

同様に、第２アンモニア検出部１０３は、図３に示すように、絶縁層１２０の上に形成される第２基準電極２２１と、第２基準電極２２１の表面および側面を覆う第２固体電解質体２２２と、第２固体電解質体２２２の表面に形成される第２検知電極２２３とを備える。そして第２アンモニア検出部１０３は、第２基準電極２２１と第２検知電極２２３との間の起電力変化によって、排気ガスに含まれるアンモニアの濃度を検出する。

第１基準電極２１１および第２基準電極２２１は、電極材として白金（Ｐｔ）を主体に構成されており、具体的には、Ｐｔおよび酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含む材料から構成されている。第１固体電解質体２１２および第２固体電解質体２２２は、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）等の酸素イオン伝導性材料で構成されている。第１検知電極２１３および第２検知電極２２３は、電極材として金（Ａｕ）を主体に構成されており、具体的には、Ａｕおよび酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）を含む材料から構成されている。なお、第１検知電極２１３および第２検知電極２２３の電極材は、アンモニアに対する感度とＮＯｘに対する感度との比が第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３において異なるように、選択されている。

また、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は、多孔質からなる保護層２３０によって一体に覆われている。保護層２３０は、第１検知電極２１３および第２検知電極２２３への被毒物質の付着を防止するとともに、外部から第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３に流入するアンモニアの拡散速度を調整するものである。

図２に示すように、制御部３は、制御回路１８０と、マイクロコンピュータ１９０（以下、マイコン１９０という）を備える。
制御回路１８０は、回路基板上に配置されたアナログ回路である。制御回路１８０は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、基準電圧比較回路１８３、Ｉｃｐ供給回路１８４、Ｖｐ２印加回路１８５、Ｉｐ２検出回路１８６、ヒータ駆動回路１８７および起電力検出回路１８８を備える。

そして、ポンピング電極１３２、検知電極１４２およびポンピング電極１５２は、基準電位に接続される。ポンピング電極１３３は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１に接続される。基準電極１４３は、Ｖｓ検出回路１８２とＩｃｐ供給回路１８４に接続される。ポンピング電極１５３は、Ｖｐ２印加回路１８５とＩｐ２検出回路１８６に接続される。ヒータ１６０は、ヒータ駆動回路１８７に接続される。

Ｉｐ１ドライブ回路１８１は、ポンピング電極１３２とポンピング電極１３３との間に電圧Ｖｐ１を印加して第１ポンピング電流Ｉｐ１を供給するとともに、供給した第１ポンピング電流Ｉｐ１を検出する。

Ｖｓ検出回路１８２は、検知電極１４２と基準電極１４３との間の電圧Ｖｓを検出し、検出した結果を基準電圧比較回路１８３へ出力する。
基準電圧比較回路１８３は、基準電圧（例えば、４２５ｍＶ）とＶｓ検出回路１８２の出力（電圧Ｖｓ）とを比較し、比較結果をＩｐ１ドライブ回路１８１へ出力する。そしてＩｐ１ドライブ回路１８１は、電圧Ｖｓが基準電圧と等しくなるように、第１ポンピング電流Ｉｐ１の流れる向きと第１ポンピング電流Ｉｐ１の大きさとを制御するとともに、第１測定室１２１内の酸素濃度を、ＮＯｘが分解しない程度の所定値に調整する。

Ｉｃｐ供給回路１８４は、検知電極１４２と基準電極１４３との間に微弱な電流Ｉｃｐを流す。これにより、酸素が第１測定室１２１から固体電解質層１４１を介して基準酸素室１４６に送り込まれるため、基準酸素室１４６は、基準となる所定の酸素濃度に設定される。

Ｖｐ２印加回路１８５は、ポンピング電極１５２とポンピング電極１５３との間に、一定電圧Ｖｐ２（例えば、４５０ｍＶ）を印加する。これにより、第２測定室１４８では、第２ポンピングセル１５０を構成するポンピング電極１５２，１５３の触媒作用によって、ＮＯｘが解離（還元）される。この解離により得られた酸素イオンがポンピング電極１
５２とポンピング電極１５３との間の固体電解質層１５１を移動することにより第２ポンピング電流Ｉｐ２が流れる。Ｉｐ２検出回路１８６は、第２ポンピング電流Ｉｐ２を検出する。

ヒータ駆動回路１８７は、発熱抵抗体であるヒータ１６０の一端にヒータ通電用の正電圧を印加するともに、ヒータ１６０の他端にヒータ通電用の負電圧を印加することにより、ヒータ１６０を駆動する。

起電力検出回路１８８は、第１基準電極２１１と第１検知電極２１３との間の起電力（以下、第１アンモニア起電力という）と、第２基準電極２２１と第２検知電極２２３との間の起電力（以下、第２アンモニア起電力という）を検出し、検出結果を示す信号をマイコン１９０へ出力する。

マイコン１９０は、ＣＰＵ１９１、ＲＯＭ１９２、ＲＡＭ１９３および信号入出力部１９４を備える。
ＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９２に記憶されたプログラムに基づいて、センサ素子部５を制御するための処理を実行する。信号入出力部１９４は、Ｉｐ１ドライブ回路１８１、Ｖｓ検出回路１８２、Ｉｐ２検出回路１８６、ヒータ駆動回路１８７および起電力検出回路１８８に接続される。ＣＰＵ１９１は、信号入出力部１９４を介してヒータ駆動回路１８７へ駆動信号を出力することにより、ヒータ１６０に供給する電力をパルス幅変調（Pulse Width Modulation）により通電制御して、ヒータ１６０が目標の温度になるようにしている。

またＣＰＵ１９１は、ＲＯＭ１９２から各種データを読み込み、第１ポンピング電流Ｉｐ１の値、第２ポンピング電流Ｉｐ２の値、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力から種々の演算処理を行う。

ＲＯＭ１９２は、「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」、「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」、「第１ポンピング電流（Ｉｐ１）−酸素濃度出力関係式」、「第２ポンピング電流（Ｉｐ２）−ＮＯｘ濃度出力関係式」、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」（補正式（１）：下記参照）、「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度出力−補正ＮＯ_２濃度出力関係式」（補正式（２））、「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度出力＆補正ＮＯ_２濃度出力−補正ＮＯｘ濃度出力関係式」（補正式（３））を記憶する。

なお、各種データは、上述のように所定の関係式として設定されていてもよいし、センサの出力から各種ガス濃度を算出するものであればよく、例えばテーブルとして設定されていてもよい。その他にも、予めガス濃度が既知のガスモデルを用いて得られた値（関係式およびテーブルなど）とされていてもよい。

「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」および「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３から出力されたアンモニア起電力と、排気ガス中のアンモニア濃度を示すアンモニア濃度出力との関係を表す式である。

「第１ポンピング電流−酸素濃度出力関係式」は、第１ポンピング電流と、排気ガス中の酸素濃度との関係を表す式である。「第２ポンピング電流−ＮＯｘ濃度出力関係式」は、第２ポンピング電流と、排気ガス中のＮＯｘ濃度との関係を表す式である。

「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度出力−補正アンモニア濃度出力関係式」は、酸素濃度およびＮＯ_２濃度の影響を受けたアンモニア濃度出力（第１、第２）と、酸素濃度およびＮＯ_２濃度の影響を除去した補正アンモニア濃度出力との関係を表す式である。「第１アンモニア濃度出力＆第２アンモニア濃度出力＆酸素濃度出力−修正ＮＯ_２濃度出力関係式」は、酸素濃度およびアンモニア濃度の影響を受けたＮＯ_２濃度出力と、酸素濃度およびアンモニア濃度の影響を除去した補正ＮＯ_２濃度出力との関係を表す式である。「ＮＯｘ濃度出力＆補正アンモニア濃度出力＆補正ＮＯ_２濃度出力−補正ＮＯｘ濃度出力関係式」は、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を受けたＮＯｘ濃度出力と、アンモニア濃度およびＮＯ_２濃度の影響を除去、修正した正確な補正ＮＯｘ濃度出力の関係を表す式である。

次に、マイコン１９０のＣＰＵ１９１において実行される、第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力から、ＮＯｘ濃度およびアンモニア濃度を求める演算処理について説明する。

ＣＰＵ１９１は、第１ポンピング電流Ｉｐ１、第２ポンピング電流Ｉｐ２、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力が入力されると、酸素濃度出力、ＮＯｘ濃度出力、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力を求める演算処理を行う。具体的には、ＲＯＭ１９２から「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」、「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」、「第１ポンピング電流Ｉｐ１−酸素濃度出力関係式」、「第２ポンピング電流Ｉｐ２−ＮＯｘ濃度出力関係式」を呼び出し、当該関係式を用いて各濃度出力を算出する処理を行う。そして、酸素濃度出力、ＮＯｘ濃度出力、第１アンモニア濃度出力および第２アンモニア濃度出力が求められると、ＣＰＵ１９１は、以下に説明する補正式を用いた演算を行うことで、排気ガス中のアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度を求める。

補正式（１）：ｘ＝Ｆ（Ａ，Ｂ，Ｄ）
＝（ｅＡ−ｃ）＊（ｊＢ−ｈ−ｆＡ＋ｄ）／（ｅＡ−ｃ−ｉＢ＋ｇ）＋ｆＡ−ｄ
補正式（２）：ｙ＝Ｆ’（Ａ，Ｂ，Ｄ）
＝（ｊＢ−ｈ−ｆＡ＋ｄ）／（ｅＡ−ｃ−ｉＢ＋ｇ）
補正式（３）：ｚ＝Ｃ−ａｘ＋ｂｙ
ここで、ｘはアンモニア濃度であり、ｙはＮＯ_２濃度であり、ｚはＮＯｘ濃度である。また、Ａは第１アンモニア濃度出力であり、Ｂは第２アンモニア濃度出力であり、ＣはＮＯｘ濃度出力であり、Ｄは酸素濃度出力である。そして、式（１）のＦは、ｘが（Ａ，Ｂ，Ｄ）の関数であることを表し、式（２）のＦ’ は、ｙが（Ａ，Ｂ，Ｄ）の関数であることを表す。さらに、ａ，ｂは補正係数であり、ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，ｈ，ｉ，ｊは酸素濃度出力Ｄを用いて計算される係数（すなわち、Ｄによって決まる係数）である。

ＣＰＵ１９１は、上述の補正式（１）〜（３）に、第１アンモニア濃度出力（Ａ）、第２アンモニア濃度出力（Ｂ）、ＮＯｘ濃度出力（Ｃ）および酸素濃度出力（Ｄ）を代入して演算することによって、排気ガス中のアンモニア濃度およびＮＯｘ濃度を求める。

なお、補正式（１）および補正式（２）は、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３の特性に基づいて定まる式であり、補正式（３）はＮＯｘ検出部１０１の特性に基づいて定まる式である。また補正式（１）〜（３）は、あくまでも補正式の一例を示したものであり、ガス検知特性に応じて、他の補正式および係数等を適宜変更してもよい。

ＮＯ濃度、ＮＯ_２濃度を演算するための公知の手法は、例えば、特開２０１５−０３４
８１４号公報に記載されているため、ここでの詳細説明は省略する。
そして、マイコン１９０は、排気ガス中のアンモニア濃度を算出するアンモニア濃度算出処理を実行する。ここで、アンモニア濃度算出処理の手順を説明する。このアンモニア濃度算出処理は、マイコン１９０が起動した直後に、その処理を開始する。

このアンモニア濃度算出処理が実行されると、マイコン１９０のＣＰＵ１９１は、図４に示すように、まずＳ１０にて、センサ素子部５が活性化したか否かを判断する。ここで、センサ素子部５が活性化していない場合には、Ｓ１０の処理を繰り返すことにより、センサ素子部５が活性化するまで待機する。そして、センサ素子部５が活性化すると、Ｓ２０にて、ヒータ１６０への通電がオンからオフへ切り替わった時点から予め設定された検出時間が経過したか否かを判断する。検出時間は、パルス幅変調の変調周期の２分の１より小さくなるように設定されている。すなわち、検出時間は、ヒータ１６０への通電がオンからオフへ切り替わってから更にオンに切り替わるまでの時間より短い。ここで、検出時間が経過していない場合には、Ｓ２０の処理を繰り返すことにより、検出時間が経過するまで待機する。

そして、検出時間が経過すると、Ｓ３０にて、第１ポンピング電流Ｉｐ１の電流値（以下、第１ポンピング電流値という）を示す検出信号をＩｐ１ドライブ回路１８１から取得し、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力を示す検出信号を起電力検出回路１８８から取得する。さらにＳ４０にて、第１ポンピング電流値を示す検出信号と、「第１ポンピング電流Ｉｐ１−酸素濃度出力関係式」に基づいて、酸素濃度を算出する。

次にＳ５０にて、電源の出力電圧の電圧値を示す検出信号をヒータ駆動回路１８７から取得し、電源の出力電圧（ヒータ１６０への印加電圧でありパルス幅変調された電圧波形の波高値）と、Ｓ６０で算出された酸素濃度とに基づいて、第１アンモニア検出部１０２のオフセット電圧（以下、第１オフセット電圧という）を算出する。

ところで、図５に示すように、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力は、ヒータ１６０への通電がオンからオフに切り替わるタイミングと、ヒータ１６０への通電がオフからオンに切り替わるタイミングとで、その値が大きく変動する。

図６は、ヒータ１６０への通電がオンからオフへ切り替わった時点から上記の検出時間が経過したときに測定された第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力と、電源の出力電圧と、酸素濃度との対応関係を示すグラフである。図６の曲線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３はそれぞれ、電源の出力電圧が１４Ｖ，１２Ｖ，１０Ｖであるときにおけるアンモニア起電力と酸素濃度との対応関係を示す。

図６に示す測定結果に基づいて、オフセット電圧Ｖｏと電源の出力電圧Ｖｎと酸素濃度Ｃｏとの対応関係を示す関係式を、下式（４）に示すように設定した。下式（４）のａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅは、図６に示す測定結果を関係式で表すための係数である。

Ｖｏ＝（ａ×Ｃｏ^２＋ｂ×Ｃｏ＋ｃ）＋（１４−Ｖｎ）×（ｄ×Ｃｏ＋ｅ） ・・・（４）
Ｓ５０では、電源の出力電圧と酸素濃度を関係式（４）に代入することにより、第１オフセット電圧を算出する。

そしてＳ５０の処理が終了すると、図４に示すように、Ｓ６０にて、第１アンモニア起電力から、Ｓ５０で算出された第１オフセット電圧を減算した減算値を、第１補正アンモニア起電力として算出する。

またＳ７０にて、Ｓ５０と同様にして、第２アンモニア検出部１０３のオフセット電圧（以下、第２オフセット電圧という）を算出する。さらにＳ８０にて、Ｓ６０と同様にして、第２アンモニア起電力から、Ｓ７０で算出された第２オフセット電圧を減算した減算値を、第２補正アンモニア起電力として算出する。

そしてＳ９０にて、第１補正アンモニア起電力と「第１アンモニア起電力−第１アンモニア濃度出力関係式」とに基づいて第１アンモニア濃度出力を算出する。またＳ９０では、第２補正アンモニア起電力と「第２アンモニア起電力−第２アンモニア濃度出力関係式」とに基づいて第２アンモニア濃度出力を算出する。さらにＳ９０では、第１ポンピング電流値と「第１ポンピング電流Ｉｐ１−酸素濃度出力関係式」とに基づいて酸素濃度出力を算出する。

さらにＳ１００にて、上述のように、Ｓ９０で算出した第１アンモニア濃度出力、第２アンモニア濃度出力および酸素濃度出力と補正式（１）とに基づいて、排気ガス中のアンモニア濃度を算出して、Ｓ２０に移行する。

このように構成されたマルチガス検出装置１は、第１固体電解質体２１２と、第１固体電解質体２１２上に配置される一対の第１基準電極２１１および第１検知電極２１３と、第２固体電解質体２２２と、第２固体電解質体２２２上に配置される一対の第２基準電極２２１および第２検知電極２２３と、第１固体電解質体２１２および第２固体電解質体２２２を加熱するヒータ１６０とを備える。またマルチガス検出装置１は、電源からヒータ１６０への電力供給がパルス幅変調によって制御されることにより第１固体電解質体２１２の温度が制御されるとともに、排気ガス内におけるアンモニアの濃度に応じて一対の第１基準電極２１１と第１検知電極２１３との間に起電力が生じる第１アンモニア検出部１０２の起電力を用いて、アンモニアの濃度を検出する。またマルチガス検出装置１は、電源からヒータ１６０への電力供給がパルス幅変調によって制御されることにより第２固体電解質体２２２の温度が制御されるとともに、排気ガス内におけるアンモニアの濃度に応じて一対の第２基準電極２２１と第２検知電極２２３との間に起電力が生じる第２アンモニア検出部１０３の起電力を用いて、アンモニアの濃度を検出する。

そしてマルチガス検出装置１は、電源の出力電圧の変動に起因して発生するアンモニア起電力（すなわち、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力）の変動量（すなわち、第１オフセット電圧および第２オフセット電圧）を算出する（Ｓ５０，Ｓ７０）。またマルチガス検出装置１は、算出された変動量を用いて、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３で生じたアンモニア起電力を補正する（Ｓ６０，Ｓ８０）。

これによりマルチガス検出装置１は、パルス幅変調によるヒータ１６０への電力供給に起因して発生するアンモニア起電力の変動の影響を低減することができ、アンモニアの検出精度を向上させることができる。

またマルチガス検出装置１は、排気ガス内における酸素の濃度を検出する（Ｓ４０）。そしてマルチガス検出装置１は、更に、検出された酸素の濃度に基づいて、オフセット電圧を補正する（Ｓ５０，Ｓ７０）。

これによりマルチガス検出装置１は、排気ガス内における酸素の濃度に応じて第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３のインピーダンスが変化することに起因して発生するアンモニア起電力の変動の影響を低減することができ、アンモニア濃度の検出精度を更に向上させることができる。

またマルチガス検出装置１は、第１アンモニア起電力から、第１オフセット電圧を減算することにより第１アンモニア起電力を補正するとともに、第２アンモニア起電力から、第２オフセット電圧を減算することにより第２アンモニア起電力を補正する。これによりマルチガス検出装置１は、アンモニア起電力からオフセット電圧を減算するという簡便な演算によりアンモニア起電力を補正することができ、マルチガス検出装置１の演算処理負荷を低減することができる。

またマルチガス検出装置１は、パルス幅変調によりヒータ１６０への通電がオンからオフへ切り替わった時点から予め設定された検出時間が経過した後におけるアンモニア起電力を用いて、アンモニア起電力を補正する。

このようにマルチガス検出装置１は、ヒータ１６０への通電が行われていないときにおけるアンモニア起電力を用いて、アンモニアの濃度を検出する。このため、マルチガス検出装置１は、ヒータ１６０に電流が流れていることに起因して発生するアンモニア起電力の変動の影響を低減することができ、アンモニア濃度の検出精度を更に向上させることができる。

以上説明した実施形態において、マルチガス検出装置１は本発明におけるガス検出装置、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３は本発明におけるガスセンサ、第１固体電解質体２１２および第２固体電解質体２２２は本発明における固体電解質体、第１基準電極２１１および第１検知電極２１３と第２基準電極２２１および第２検知電極２２３は本発明における一対の電極である。

また、Ｓ５０，Ｓ７０の処理は本発明における変動量算出部、Ｓ６０，Ｓ８０の処理は本発明における補正部、Ｓ４０の処理は本発明における酸素検出部である。
また、排気ガスは本発明における被検出雰囲気、アンモニアは本発明における検出対象ガス、第１アンモニア起電力および第２アンモニア起電力は本発明における起電力、第１オフセット電圧および第２オフセット電圧は本発明における変動量ある。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記実施形態では、第１基準電極２１１、第１固体電解質体２１２および第１検知電極２１３が積層された構造を有する第１アンモニア検出部１０２と、第２基準電極２２１、第２固体電解質体２２２および第２検知電極２２３が積層された構造を有する第２アンモニア検出部１０３がアンモニアの濃度を検出するものを示した。しかし、本発明は、アンモニアの濃度を検出するガスセンサに限定されるものではない。すなわち、本発明は、被検出雰囲気内における検出対象ガスの濃度に応じて一対の電極の間に起電力が生じるガスセンサであれば適用可能である。

また上記実施形態では、第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３がＮＯｘ検出部１０１の外表面の上に形成されているものを示したが、本発明は、ガスセンサの上に形成されるものに限定されるものでなく、電気絶縁性を有する部材の上に第１アンモニア検出部１０２および第２アンモニア検出部１０３が形成されるようにしてもよい。

また上記実施形態では、電源の出力電圧と酸素濃度を関係式（４）に代入することにより第１オフセット電圧および第２オフセット電圧を算出するものを示したが、第１オフセット電圧および第２オフセット電圧の算出方法はこれに限定されるものではない。例えば、電源の出力電圧と酸素濃度と第１オフセット電圧および第２オフセット電圧との対応関係が予め設定されたマップを参照することにより第１オフセット電圧および第２オフセッ
ト電圧を算出するようにしてもよい。

１…マルチガス検出装置、２…マルチガスセンサ、３…制御部、１０２…第１アンモニア検出部、１０３…第２アンモニア検出部、１９０…マイコン、２１１…第１基準電極、２１２…第１固体電解質体、２１３…第１検知電極、２２１…第２基準電極、２２２…第２固体電解質体、２２３…第２検知電極

Claims (4)

1. 固体電解質体と、前記固体電解質体上に配置される一対の電極と、前記固体電解質体を加熱するヒータとを備え、電源から前記ヒータへの電力供給がパルス幅変調によって制御されることにより前記固体電解質体の温度が制御されるとともに、被検出雰囲気内における検出対象ガスの濃度に応じて前記一対の電極の間に起電力が生じるガスセンサの前記起電力を用いて、前記検出対象ガスの濃度を検出するガス検出装置であって、
   前記電源の出力電圧の変動に起因して発生する前記起電力の変動量を算出する変動量算出部と、
   前記変動量算出部により算出された前記変動量を用いて、前記ガスセンサで生じた前記起電力を補正する補正部とを備える
   ことを特徴とするガス検出装置。
2. 前記被検出雰囲気内における酸素の濃度を検出する酸素検出部を備え、
   前記変動量算出部は、更に、前記酸素検出部により検出された酸素の濃度に基づいて、前記変動量を補正する
   ことを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。
3. 前記補正部は、
   前記ガスセンサで生じた前記起電力から、前記変動量算出部で算出された前記変動量を減算することにより、前記起電力を補正する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載のガス検出装置。
4. 前記補正部は、
   前記パルス幅変調により前記ヒータへの通電がオンからオフへ切り替わった時点から、予め設定された検出時間が経過した後における前記起電力を用いて、前記起電力を補正する
   ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載のガス検出装置。