JP2008309774A - ガスセンサの劣化信号生成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電子制御装置の基準電位を重畳した劣化信号を、基準となるガスセンサ（基準センサ）から出力される検出信号（基準信号）をもとに生成することで、車種、車両を問わず利用でき、かつ精度の高い劣化信号を出力することができるガスセンサの劣化信号生成装置を提供する。
【解決手段】基礎信号生成プログラムの実行に従い、基準センサ２から取得した基準信号の出力値が所望する劣化状態に応じて変更され、基礎信号として基準電位重畳出力回路４０に入力され、さらにＥＣＵ３から取得したＥＣＵ３自身の基準電位が重畳されることで生成された劣化信号が、ＥＣＵ３に出力される。これにより、センサシミュレータ１の基準電位とＥＣＵ３の基準電位とが互いに異なる場合でも、ＥＣＵ３が劣化信号を受け取った際の劣化信号の大きさを、センサシミュレータ１で生成した基礎信号の大きさと一致させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被測定ガス中の特定成分の濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサが劣化したときの出力値（出力信号）を擬似的に生成し、劣化信号として出力するガスセンサの劣化信号生成装置に関するものである。

従来、自動車のエンジンなど内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の特定成分の濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサが知られている。例えば、酸素の濃度に基づき排気ガスの空燃比を検出するための空燃比センサは、自身の有するセンサ素子を流れる電流の大きさあるいは電圧値が排気ガス中の酸素の濃度に応じて、リニアにあるいは二値的に変化することを利用して、排気ガス中の酸素濃度の検出を行う。空燃比センサから出力される検出信号はエンジンの各種制御を司る電子制御装置（以下、「ＥＣＵ」という。）に送信され、ＥＣＵでは、受信した検出信号に基づき排気ガスの空燃比を算出し、エンジンにおける燃料噴射量の調整等の空燃比フィードバック制御が行われる。

このようなガスセンサは、センサ素子が排気通路内で排気ガスに晒されることとなるため、長期間の使用に伴い経時劣化を生ずる。そしてセンサ素子が劣化すると空燃比フィードバック制御を正常に行えなくなり、排気ガスが十分に浄化されないまま自動車から排出されてしまう虞がある。そこでＥＣＵの開発ではガスセンサの劣化を検知するプログラムの設計が行われ、ＥＣＵの故障診断装置（いわゆるＯＢＤ）の機能として組み込まれている。

ところで、実車において排気ガスの浄化状態を確認する試験が行われる際には、空燃比フィードバック制御が正しく行われているか否かを確認する試験の一環として、上記のガスセンサの劣化を検知するプログラムが正常に作動するか否かについても試験が行われる。この試験を行うにあたり、従来では、例えば加速耐久試験により劣化度合いの異なるガスセンサを用意し、それらガスセンサを実車に取り付け、排気ガスの浄化状態を確認する試験が行われていた。しかし、こうした試験に用いるため、劣化度合いの過渡的な状態を再現した複数種類のガスセンサを加速耐久試験によりそれぞれ目標通りに作成することは困難である。また、試験において、劣化状態の異なるガスセンサを試験の都度取り換えるのは手間がかかる。そのため、ガスセンサが劣化したときに出力する劣化信号を擬似的に生成することができる劣化信号生成装置（劣化シミュレータ）が開発されている（例えば、特許文献１参照。）。

このような劣化信号生成装置は、実車に取り付けた正常なガスセンサ（換言すれば、劣化信号を生成するための基準となるガスセンサ）とＥＣＵとの間に介在され、入力されたガスセンサの検出信号を加工して擬似的に劣化信号を生成し、この劣化信号をＥＣＵに対して出力するものである。特許文献１の劣化信号生成装置では、具体的には、排気ガス中の酸素濃度に応じて検出信号がリニアに変化する全領域空燃比センサのその検出信号に対し、ゲインを変化させたり、応答特性に遅れを生じさせたりすることで、擬似的に劣化信号を生成している。
特開２００４−９３９５７号公報

しかしながら、ＥＣＵは、自動車の製造メーカごと、あるいは車種ごとに異なる規格に沿って設計されるため、ＥＣＵが自身の駆動にあたって電位の基準とする基準電位は、規格によって異なる場合がある。このため、ＥＣＵに接続されるガスセンサの基準電位も接続先のＥＣＵの基準電位に応じたものとなり、ガスセンサからＥＣＵへ出力される検出信号もその基準電位に応じた出力となるため、上記した排気ガスの浄化状態を確認する試験では、ＥＣＵの基準電位にあわせた出力が可能な劣化信号生成装置を、製造メーカごと、あるいは車種ごとに用意する必要があった。

また、劣化信号生成装置の基準電位をＥＣＵの基準電位と同電位にするため、例えば互いの基準電位を接地電位に接続したとしても、それぞれの基板回路上や接地線上で配線抵抗の影響などを受けると互いの基準電位にずれが生ずる場合があり、試験の都度、各々の基準電位を完全な同電位とするのは難しい。このため、例えば車種ごとの規格にあわせた劣化信号生成装置を用いて同一車種に対し同一条件で試験を行ったとしても、試験の都度、また、試験対象となる車両ごとに、ＥＣＵの基準電位と劣化信号生成装置の基準電位との間のずれにばらつきが生じ、同一の結果を得られなくなる虞があった。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、電子制御装置の基準電位を重畳した劣化信号を、基準となるガスセンサ（基準センサ）から出力される検出信号（基準信号）をもとに生成することで、車種、車両を問わず利用でき、かつ精度の高い劣化信号を出力することができるガスセンサの劣化信号生成装置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、請求項１に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置は、被測定ガス中の特定成分の濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサが劣化したときの前記検出信号の出力値を疑似的に生成し、劣化信号として、内燃機関の制御を司る電子制御装置に出力するガスセンサの劣化信号生成装置であって、基準となる前記ガスセンサである基準センサに接続され、前記基準センサが出力する前記検出信号を基準信号として取得する基準信号取得手段と、取得した前記基準信号の出力値を、所望する劣化状態に応じて変更し、前記劣化信号の基となる基礎信号を生成する基礎信号生成手段と、前記電子制御装置が自身の駆動にあたって電位の基準とする基準電位を、前記電子制御装置から取得する基準電位取得手段と、前記基礎信号の出力値に前記基準電位を重畳し、前記劣化信号を生成する劣化信号生成手段とを備えている。

また、請求項２に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置は、請求項１に記載の発明の構成に加え、前記基礎信号生成手段は、前記基準信号の出力値を上下に変更するためのオフセット値を前記基準信号に重畳し、前記基礎信号を生成することを特徴とする。

また、請求項３に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置は、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記劣化信号生成手段は、前記基礎信号生成手段が生成した前記基礎信号と、前記基準電位取得手段が取得した前記基準電位とが入力され、前記劣化信号を生成して前記電子制御装置へ出力する増幅器を含むことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置は、請求項１または２に記載の発明の構成に加え、前記劣化信号生成手段は、前記基礎信号生成手段が生成した前記基礎信号と、前記基準電位取得手段が取得した前記基準電位とが入力され、前記劣化信号を生成して前記電子制御装置へ出力するデジタル回路を含むことを特徴とする。

請求項１に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置では、基準センサの出力する基準信号の出力値を所望する劣化状態に応じて変更して生成した基礎信号に、電子制御装置から取得した電子制御装置自身の基準電位を重畳して劣化信号を生成し、その劣化信号を電子制御装置に出力する構成を採っている。このため、劣化信号生成装置と電子制御装置とが互いに異なる基準電位で駆動する場合でも、電子制御装置が劣化信号を受け取った際の劣化信号の大きさが、劣化信号生成装置で生成した基礎信号の大きさと一致する。これにより、劣化信号生成装置の基準電位と電子制御装置の基準電位とが如何なる組み合わせであっても一致させることができ、本発明に係る劣化信号生成装置を、自動車の製造メーカごと、あるいは車種ごとに異なる規格に沿って設計される如何なる電子制御装置に対しても好適に用いることができる。従って、例えば実車において排気ガスの浄化状態を確認する試験が行われる際に、製造メーカごと、あるいは車種ごとに、ＥＣＵの基準電位にあわせた出力が可能な劣化信号生成装置をそれぞれ用意する必要がなく、このような試験にかかる費用を節減し手間を軽減することができる。

また、劣化信号生成装置や電子制御装置のそれぞれの基板回路上や接地線上などにおける配線抵抗の影響により生じ得る互いの基準電位の変動に対しても、劣化信号は、受信先となる電子制御装置の基準電位を基礎信号に重畳して生成されるため、その変動に速やかに追従することができる。従って、例えば実車において排気ガスの浄化状態を確認する試験が行われる際に、試験の都度、また、試験対象となる車両ごとに、ＥＣＵの基準電位と劣化信号生成装置の基準電位との間のずれにばらつきが生じても、本発明に係る劣化信号生成装置を用いれば、そのばらつきに追従してずれを相殺した精度の高い劣化信号を出力することができる。

ところで、劣化信号生成装置の生成する劣化信号により再現可能な劣化状態としては、基準信号の出力値が上下に変更（オフセット）した状態、基準信号の出力値が増幅あるいは減衰された状態、基準信号が変化を開始し予め設定した値となるまでにかかる時間に変動を生じた状態、基準信号が変化を開始し始めるまでに遅れを生じた状態などが挙げられる。そのいずれの劣化状態に対しても本発明に係る劣化信号生成装置を用いることによる効果を期待できる。その中でも、請求項２に係る発明のように、基準信号の出力値が劣化に応じて上または下にずれる劣化状態を模擬すべく、操作者が任意に設定したオフセット値を基準信号の出力値に重畳させた劣化信号を生成する劣化信号生成装置に対して本発明を適用すれば、精度の高い劣化信号を出力することができる。すなわち、基準信号の出力値にオフセット値を重畳させた劣化信号を電子制御装置に出力する際、電子制御装置の基準電位と劣化信号生成装置の基準電位との間にずれのばらつきがあると、上記のばらつきの影響を受けてオフセット値がばらつくことになり、電子制御装置は精度よく劣化信号を取得できないことがある。これに対し、請求項２に係る発明のガスセンサの劣化信号生成装置では、電子制御装置の基準電位と劣化信号生成装置の基準電位との間のずれのばらつきに追従してそのずれを相殺した劣化信号を出力可能であるため、オフセット値がばらつかず、精度のよい劣化信号を電子制御装置に対して出力することができる。

ところで、このような劣化信号を生成するにあたり、請求項３に係る発明のように、所望する劣化状態に応じて基準信号から生成した基礎信号に対し、信号をリアルタイムに処理できる増幅器を含み構成した電気回路を用い、電子制御装置から取得した基準電位を重畳することで劣化信号を生成すれば、電子制御装置の基準電位のリニアな変動に対しても追従させることができ、精度の高い劣化信号を生成することができる。

また、請求項４に係る発明のように、デジタル回路を含む電気回路を用いて電子制御装置の基準電位の取得と基礎信号への上乗せを行って劣化信号を生成すれば、電気回路の構成を簡易にでき、生産コストを低減することができる。もちろん、デジタル回路にデータ処理の分解能（時分割能）が高いプロセッサを用いれば、より精度よく劣化信号を生成することができる。

以下、本発明を具体化したガスセンサの劣化信号生成装置の一実施の形態について、センサシミュレータ１を例に、図面を参照して説明する。図１は、センサシミュレータ１の概略的な構成を示すブロック図である。

なお、本発明の劣化信号生成装置に接続されるガスセンサとしては、酸素センサや全領域空燃比センサ、ＮＯｘセンサなどを用いることができる。本実施の形態では、排気ガス中の酸素濃度に応じて変化すると共に理論空燃比を境にして出力値が急変する検出信号を出力する酸素センサ（いわゆるλ型酸素センサ）をその一例とし、基準センサ２として、正常な（劣化していない）酸素センサであり、劣化を模擬したい対象品番の酸素センサと同構成の酸素センサを用いたものを、以下では説明する。

なお、酸素センサについては公知のものを使用しているため、その構造等の詳細については説明を省略するが、以下に、酸素センサに用いられるセンサ素子による排気ガスの空燃比（排気ガス中の酸素濃度）の検出原理について簡単に説明する。このセンサ素子は、活性温度以上で酸素イオン導電性を示す性質を有するジルコニア製の固体電解質体を一対の多孔質電極で挟んだ筒状ないしは板状をなす。この固体電解質体で２つの雰囲気を隔て、両雰囲気間で酸素分圧に差が生じたとき、固体電解質体内を酸素イオンが移動することを利用して、酸素濃度の検出を行う。具体的には、固体電解質体で排気ガス雰囲気と基準ガス雰囲気（基準となる酸素濃度を有する雰囲気）とを隔て、両雰囲気間で酸素分圧の平衡化がなされる際に、固体電解質体内を移動する酸素イオンによって電子が運搬されることで、多孔質電極間に起電力（検出信号）が生じる。酸素センサの出力する検出信号の値（起電力）は、排気ガスの空燃比が理論空燃比である場合を境にリッチ側とリーン側とで二値的に変動する。一般に、排気ガスの空燃比がリッチ側である（排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比の酸素濃度に対して少ない）場合、センサ素子の出力する検出信号の値は基準電位との電位差で約０．９Ｖを示し、リーン側である（排気ガス中の酸素濃度が理論空燃比の酸素濃度に対して多い）場合、基準電位との電位差で約０．０５Ｖを示す。このような酸素センサの一例として、本実施の形態では、特開２００４−１３８５９９号公報に開示する酸素センサを使用しているものとして説明することとする。この酸素センサは、筒型のセンサ素子にヒータを内挿させ、センサ素子の先端部をガス流通孔付きのプロテクタ内に配置させた形態で、主体金具の内側に当該センサ素子を保持させた構造をなすものである。酸素センサは、外部装置（後述の電子制御装置やセンサシミュレータ）と接続するためのコネクタを有しており、このコネクタは、リード線、端子電極を介してセンサ素子に電気的に接続された構造をなしている。

図１に示すように、センサシミュレータ１は、自動車の排気通路（図示外）に取り付けられる酸素センサとしての基準センサ２と、自動車の電子制御を司る電子制御装置（ＥＣＵ）３との間に介在される装置である。基準センサ２は、上記のように、排気通路内を流通する排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力し、この検出信号が基準信号として、センサシミュレータ１に入力されている。センサシミュレータ１では、入力された基準信号に対し、後述する基礎信号生成プログラムの実行による加工を施して基礎信号を生成し、さらに後述する基準電位重畳出力回路４０を介して基礎信号から劣化信号を生成し、ＥＣＵ３に対して出力を行っている。ＥＣＵ３は、入力された劣化信号に基づき、図示外のエンジンの制御（例えば、インジェクタから噴射する燃料の噴射量や噴射タイミングの調整や、点火時期の調整など）を行っている。また、ＥＣＵ３は、基準センサ２のヒータ回路（図示外）にヒータ駆動電圧の供給も行っており、センサ素子（図示外）の早期活性化や活性化後の安定化を図っている。

センサシミュレータ１は、図示しないケーシング内に、自身の制御を司るＣＰＵ１１と、後述する基礎信号生成プログラム等が記憶された、書き換え可能なＥＥＰＲＯＭ１２と、各種のデータを一時的に記憶するＲＡＭ１３とを有するマイクロコンピュータ１０を備えている。なお、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１、ＥＥＰＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３は公知の構成からなるものである。また、ＥＥＰＲＯＭ１２およびＲＡＭ１３の記憶エリアの構成については後述する。

マイクロコンピュータ１０には、Ａ／Ｄコンバータ３０が接続されている。入力インターフェイス２０を介して基準センサ２から入力される基準信号は、このＡ／Ｄコンバータ３０によりＡ／Ｄ変換されて、マイクロコンピュータ１０に入力される。詳細には、基準センサ２はＯＺ（＋）ポートおよびＯＺ（−）ポートをコネクタに有し、入力インターフェイス２０にＯＺ（＋）ポートが接続され、ＯＺ（−）ポートはセンサシミュレータ１の基準電位に接続されている。入力インターフェイス２０には、ＯＺ（＋）ポートとＯＺ（−）ポートとの電位差を出力値（電圧値）とする基準信号が入力される。

また、マイクロコンピュータ１０には、Ｄ／Ａコンバータ５０が接続されている。Ｄ／Ａコンバータ５０には基準電位重畳出力回路４０が接続されており、このＤ／Ａコンバータ５０では、マイクロコンピュータ１０において生成された基礎信号を、アナログ処理を行う電気回路からなる基準電位重畳出力回路４０に出力するため、Ｄ／Ａ変換が行われる。

次に、基準電位重畳出力回路４０は、入力された基礎信号に、ＥＣＵ３から取得するＥＣＵ３自身の基準電位を重畳して劣化信号を生成し、ＥＣＵ３への出力を行う。具体的な回路構成は後述するが、基準電位重畳出力回路４０は複数のオペアンプと抵抗を組み合わせてなるアナログ回路からなり、４つの入出力ポート（ＩＮポート，ＣＯＭポート，ＯＵＴポート，ＲＥＦポート）を有する。基準電位重畳出力回路４０のＣＯＭポートはセンサシミュレータ１の基準電位に接続されており、ＩＮポートはＤ／Ａコンバータ５０に接続されて、マイクロコンピュータ１０で生成された基礎信号がＤ／Ａ変換されて入力される。また、基準電位重畳出力回路４０のＲＥＦポートおよびＯＵＴポートはそれぞれＥＣＵ３のＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートに接続されており、ＲＥＦポートを介し、基準電位重畳出力回路４０にはＥＣＵ３の基準電位が入力される。そしてＯＵＴポートは、基準電位重畳出力回路４０で生成した、センサシミュレータ１の出力としての劣化信号を、ＥＣＵ３に対して出力する。

さらに、マイクロコンピュータ１０には、入力部６０と表示制御部７０とが接続されている。入力部６０は、後述する基礎信号生成プログラムに用いられる設定値等を本センサシミュレータ１の操作者が入力できるように設けられている。入力部６０としては、例えばプッシュスイッチやロータリースイッチ等が用いられる。表示制御部７０は、入力された設定値等を操作者が確認できるように表示する表示部８０の表示制御を行うため設けられている。表示部８０としては、例えばＬＣＤディスプレイ等が用いられる。また、図示しないが、センサシミュレータ１は電源回路等も備えている。

このような構成をなすセンサシミュレータ１では、上記のように、マイクロコンピュータ１０で生成した基礎信号に、ＥＣＵ３から取得したＥＣＵ３自身の基準電位を重畳して劣化信号を生成している。そして本実施の形態では、ＥＣＵ３の基準電位に変動が生じても、その変動に劣化信号を速やかに追従させることができるように、基準電位重畳出力回路４０をアナログ回路から構成している。以下、図２を参照し、この基準電位重畳出力回路４０の回路構成の一例について説明する。図２は、基準電位重畳出力回路４０の概略的な電気回路の構成を示す図である。

図２に示すように、基準電位重畳出力回路４０は、一例として、４つのオペアンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３，ＯＰ４、および８つの抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７，Ｒ８により構成される。そのうち、オペアンプＯＰ１，ＯＰ２，ＯＰ３と、抵抗Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６，Ｒ７とは、公知の計測アンプ４１を形成する。具体的に、オペアンプＯＰ２，ＯＰ３の非反転入力端子はそれぞれ計測アンプ４１の入力端子４２，４３に接続されている。オペアンプＯＰ２，ＯＰ３の反転入力端子はそれぞれ抵抗Ｒ３，Ｒ６を介して自身の出力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ７を介して互いの反転入力端子に接続されている。また、オペアンプＯＰ２の出力端子は、抵抗Ｒ２を介してオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続されると共に、さらに抵抗Ｒ１を介し、計測アンプ４１の出力端子４５に相当するオペアンプＯＰ１の出力端子に接続されている。一方、オペアンプＯＰ３の出力端子は、抵抗Ｒ５を介してオペアンプＯＰ１の非反転入力端子に接続されると共に、さらに抵抗Ｒ４を介して計測アンプ４１の入力端子４４に接続されている。なお、計測アンプ４１が、本発明における「劣化信号生成手段」に相当する。

そして、計測アンプ４１の各端子は、それぞれ基準電位重畳出力回路４０の各ポートに接続されている。具体的に、入力端子４２および入力端子４３はそれぞれＣＯＭポートおよびＩＮポートに接続され、出力端子４５はＯＵＴポートに接続されている。また、入力端子４４は、自身の非反転入力端子がＲＥＦポートに接続されたオペアンプＯＰ４の出力端子に接続されると共に、抵抗Ｒ８を介し、オペアンプＯＰ４の反転入力端子に接続されている。このような回路構成をなす基準電位重畳出力回路４０は、ＣＯＭポートから入力されるセンサシミュレータ１の基準電位をベースに作動し、オペアンプＯＰ２，ＯＰ３により、ＩＮポートから入力される基礎信号の出力値（電圧値）と、その基準電位との差分が出力され、オペアンプＯＰ１に入力される。そしてＲＥＦポートから入力されるＥＣＵ３の基準電位もオペアンプＯＰ１に入力され、基礎信号に重畳されて、劣化信号としてＯＵＴポートからＥＣＵ３に出力される。なお、オペアンプＯＰ４が、本発明における「基準電位取得手段」に相当する。

次に、劣化信号の基となる基礎信号の生成過程について説明する。上記のように、基礎信号はマイクロコンピュータ１０において、基礎信号生成プログラムの実行によって生成される。以下、基礎信号生成プログラムの動作について説明するが、その前に、ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアおよびＲＡＭ１３の記憶エリアの概略的な構成について、図３，図４を参照して説明する。図３は、ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアの構成を示す概念図である。図４は、ＲＡＭ１３の記憶エリアの構成を示す概念図である。

図３に示すように、ＥＥＰＲＯＭ１２には、設定値記憶エリア１２１、プログラム記憶エリア１２２、初期値記憶エリア１２３が設けられている。設定値記憶エリア１２１には、基礎信号生成プログラムの実行時に使用される各種変数（電圧値Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ）の初期値が記憶されている。また、予め操作者によって入力部６０から入力される変数（オフセット値Ｏｆｆｓｅｔ）も記憶されている。オフセット値Ｏｆｆｓｅｔは、ＥＥＰＲＯＭ１２に記憶されることで電源切断時にも保存できる。また、プログラム記憶エリア１２２には、基礎信号生成プログラムが記憶されている。ＥＥＰＲＯＭ１２を使用することで、バージョンアップ等にも柔軟に対応できる。そして初期値記憶エリア１２３には、基礎信号生成プログラムで使用される各変数の初期値が記憶されている。さらにＥＥＰＲＯＭ１２には、図示外の各種の記憶エリアが設けられている。

次に、図４に示すように、ＲＡＭ１３には、ワークエリア１３１、変数記憶エリア１３２が設けられている。ワークエリア１３１は、基礎信号生成プログラムが読み込まれて展開される記憶エリアであり、その実行に利用される。変数記憶エリア１３２には、基礎信号生成プログラムの実行の際に使用される各変数（Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ，Ｏｆｆｓｅｔ）の値が一時的に記憶される。さらにＲＡＭ１３には、図示外の各種の記憶エリアが設けられている。

ここで、基礎信号生成プログラムで使用される上記した各変数について説明する。「Ｖｉｎ」は、基準センサ２から取得される検出信号である基準信号の出力値（電圧値）を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。「Ｖｂａｓｅ」は、基準信号の電圧値Ｖｉｎに対しオフセット補正（ガスセンサが劣化して検出信号の出力値がオフセットした状態を擬似的に再現するための補正）を施して生成した基礎信号の電圧値を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。「Ｏｆｆｓｅｔ」は、基準信号の電圧値Ｖｉｎに対してその値を上側の値または下側の値にオフセット補正を行うためのオフセット値（補正値）を記憶するための変数である。上記したように基準信号の電圧値は、約０．０５Ｖと約０．９Ｖとの間で変化するため、理論空燃比のときに出力される電圧値は０．４５Ｖに設定される。そして、基準信号の電圧値がリッチ側（電圧値の高い側）に変更されるように基準信号の電圧値Ｖｉｎをずらす場合、オフセット値Ｏｆｆｓｅｔとしては、ずらす分の電圧値の大きさが正の値で入力される。一方、基準信号の電圧値をリーン側（電圧値の低い側）に変更されるように基準信号の電圧値Ｖｉｎをずらす場合、オフセット値Ｏｆｆｓｅｔとしては、ずらす分の電圧値の大きさが負の値で入力される。オフセット値Ｏｆｆｓｅｔの初期値には操作者により予め設定された値がセットされる。

次に、基礎信号生成プログラムの動作について説明する。センサシミュレータ１は、基礎信号生成プログラムの実行に従って基準センサ２から１ｍｓ毎に基準信号を取得し、加工を施して基礎信号を生成し、この基礎信号に、ＥＣＵ３から取得したＥＣＵ３の基準電位を重畳して劣化信号を生成し、ＥＣＵ３に対し出力する。また、センサシミュレータ１では、基準信号に対し、例えばゲインの変更や応答特性の遅れ、信号の遅延（遅延時間）などの様々な処理を施し生成した基礎信号をもとに、劣化信号を生成する場合もある。ここで、ゲインとは、基準信号の出力値が増幅あるいは減衰された状態をいう。また、応答特性とは、目標空燃比が所定の値を境にしてリッチ側からリーン側、あるいはリーン側からリッチ側へ変更されたことに伴い、酸素センサの出力する検出信号が変化を開始して予め設定した値となるまでにかかる時間をいう。また、遅延時間とは、目標空燃比がリッチ側からリーン側、あるいはリーン側からリッチ側へ変更されたタイミングを起点として、酸素センサの出力する検出信号が目標空燃比の変更に伴って変化を開始し始めるまでの遅れ時間をいう。ゲインの変更、応答特性の遅れ、遅延時間などの処理を施す具体的な方法については公知であるため説明を省略するが、例えば、特願２００７−３１５２１０号公報に記載のゲイン処理、応答特性処理、遅延処理などを適用することができる。図５のフローチャートで示す基礎信号生成プログラムは、基準信号に対しこのような各種形態の処理を施す過程の中の一処理として提供されるものであり、以下では、劣化信号の基となる基礎信号を基準信号から生成するために施すオフセット補正を例に、説明を行うものとする。図５は、基礎信号生成プログラムのフローチャートである。なお、フローチャートの各ステップを「Ｓ」と略記する。

センサシミュレータ１では、操作者により任意の設定値の入力が行われる。具体的には、ガスセンサが劣化して検出信号の出力値（電圧値）が上または下にずれた状態（オフセットした状態）を擬似的に再現するため、所望する大きさのずらし幅としてのオフセット値Ｏｆｆｓｅｔが設定される。このオフセット値Ｏｆｆｓｅｔは、その値が入力部６０の操作により入力され、ＥＥＰＲＯＭ１２の設定値記憶エリア１２１に記憶されることで、センサシミュレータ１の電源が落とされた後に再度使用される場合にも、以前入力された設定値が保存される。

センサシミュレータ１による基準センサ２の基準信号から基礎信号の生成は、基礎信号生成プログラム（図５参照）が、ＥＥＰＲＯＭ１２のプログラム記憶エリア１２２よりＲＡＭ１３のワークエリア１３１に読み込まれ実行されることによって開始される。図５に示すように、基礎信号生成プログラムが実行されると、まず、基礎信号生成プログラムで使用される各種変数の初期化が行われる（Ｓ１０）。この初期化処理では、ＥＥＰＲＯＭ１２の初期値記憶エリア１２３に記憶された各変数（Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ）の初期値（前述）が読み込まれ、ＲＡＭ１３の変数記憶エリア１３２の対応する記憶エリアに記憶されることで行われる。また、予め操作者により設定された上記のオフセット値（Ｏｆｆｓｅｔ）がＥＥＰＲＯＭ１２の設定値記憶エリア１２１より読み込まれ、同様に、対応する変数記憶エリア１３２の記憶エリアに記憶される。つまり、基礎信号生成プログラムのＳ１０以降の処理では、各変数の値の読み出し、書き込み等はすべて、変数記憶エリア１３２に設けられた、それぞれの処理に対応する各変数の記憶エリアに対して行われる。

次に、Ｓ１１で１ｍｓ毎のリセット信号の受信待ちが行われる。本実施の形態では、基礎信号生成プログラムと並列に図示外のタイマプログラムが実行されており、１ｍｓ毎にリセット信号が出力されている。Ｓ１１ではリセット信号の受信待ちが行われ（Ｓ１１：ＮＯ）、リセット信号の受信を契機にＳ１２へ進む（Ｓ１１：ＹＥＳ）。そしてＳ１２〜Ｓ２６の処理で、基準センサ２から取得される基準信号（電圧値Ｖｉｎ）に対しオフセット補正が施されることにより基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）が生成されて、Ｄ／Ａコンバータ５０を介し基準電位重畳出力回路４０に対し出力される。Ｓ２６の処理後にはＳ１１に戻り、次のリセット信号の受信待ちが行われる。すなわち、基準信号を加工して基礎信号を生成するＳ１２〜Ｓ２６の各処理は、１ｍｓ毎に行われている。

次のＳ１２〜Ｓ２６の処理では、基準信号の電圧値Ｖｉｎにオフセット値Ｏｆｆｓｅｔを重畳し、基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）を生成させる処理が行われる。前述したように、本実施の形態の基準センサ２はλ型酸素センサであり、排気ガスの空燃比が理論空燃比よりもリッチ側にあるとき、酸素センサの出力電圧値は約０．９Ｖを示し、理論空燃比よりもリーン側にあるときには約０．０５Ｖを示す。従って、混合気の目標空燃比が約１秒毎にリッチ側とリーン側とで交番された場合、λ型酸素センサ、すなわち基準センサ２の基準信号の電圧値は、約１秒毎に約０．０５Ｖと約０．９Ｖとの間で急峻な変化を示す。この基準信号に対しオフセット補正を行うため、まず、Ｓ１２において、Ａ／Ｄコンバータ３０（図１参照）を介して入力される基準センサ２の出力電圧（より具体的には基準センサ２のＯＺ（＋）ポートとＯＺ（−）ポートとの電位差であり、センサシミュレータ１自身の基準電位に対する差分値である。）が取得され、その電圧値が変数Ｖｉｎとして記憶される（Ｓ１２）。なお、Ｓ１２で基準センサ２の基準信号を取得してＶｉｎとして記憶させるＡ／Ｄコンバータ３０およびＣＰＵ１１が、本発明における「基準信号取得手段」に相当する。

そして取得された基準信号の電圧値Ｖｉｎに、予め操作者に設定されたオフセット値Ｏｆｆｓｅｔを加算することによって、基準信号にオフセット値Ｏｆｆｓｅｔを重畳する処理が行われる（Ｓ１４）。前述したように、オフセット値Ｏｆｆｓｅｔは、電圧値Ｖｉｎを上または下にずらすための値がその向き（正負）と大きさによって設定されたものであり、電圧値Ｖｉｎとオフセット値Ｏｆｆｓｅｔとを加算した結果得られた電圧値は、Ｖｂａｓｅとして変数記憶エリア１３２の記憶エリアに記憶される。なお、Ｓ１４で基準センサ２の基準信号（電圧値Ｖｉｎ）にオフセット値Ｏｆｆｓｅｔを重畳して基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）を生成するＣＰＵ１１が、本発明における「基礎信号生成手段」に相当する。

Ｓ１４で基礎信号の電圧値Ｖｂａｓｅを求めた後にはＳ１８に進み、オフセット補正を行ったことによって電圧値Ｖｂａｓｅが予め設定された適正値、すなわち０Ｖ以上５Ｖ未満の範囲外となった場合、適正値の範囲内に収まるように補正が行われる。具体的には、Ｖｂａｓｅが５Ｖ以上であれば（Ｓ１８：ＹＥＳ）、Ｖｂａｓｅには４．９９Ｖが記憶される（Ｓ２２）。一方、Ｖｂａｓｅが０Ｖ未満であれば（Ｓ１８：ＮＯ，Ｓ１９：ＹＥＳ）、Ｖｂａｓｅには０Ｖが記憶される（Ｓ２０）。また、Ｖｂａｓｅが０Ｖ以上５Ｖ未満であれば（Ｓ１８：ＮＯ，Ｓ１９：ＮＯ）、Ｖｂａｓｅは適正値であると判断され、適正値の範囲に収めるための補正は行われない。

適正値と判断された基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）または適正値に補正された基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）は、Ｄ／Ａコンバータ５０に出力され（Ｓ２６）、Ｄ／Ａ変換されて、基準電位重畳出力回路４０に出力される。今回の基礎信号の出力後、次のタイミングにおける基礎信号の生成のため、Ｓ１１に戻る。Ｓ１２〜Ｓ２６の各処理は次のリセット信号の受信を契機に再び実行され、基礎信号の電圧値Ｖｂａｓｅが定期的に更新されて、新たな基礎信号として出力される。

このように、基礎信号生成プログラムの実行によって生成された基礎信号は、前述したように、図２に示す基準電位重畳出力回路４０に、そのＩＮポートから、アナログの電圧値に変換されて１ｍｓごとに更新されて入力される。この基礎信号の出力値（電圧値）に、ＲＥＦポートから取得されたＥＣＵ３の基準電位が重畳され、劣化信号として、ＯＵＴポートからＥＣＵ３へ出力される。劣化信号の出力値（電圧値）は、次回（１ｍｓ後）の基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）の入力まで、維持される。

以上説明したように、本実施の形態のセンサシミュレータ１では、基準信号の電圧値Ｖｉｎに予め設定されたオフセット値Ｏｆｆｓｅｔが重畳されて、任意に設定した大きさ分、電圧値をリッチ側あるいはリーン側にずらし、所望するオフセット値が反映された基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）が生成される。そして、その基礎信号に、ＥＣＵ３から取得されたＥＣＵ３の基準電位が重畳されて劣化信号が生成され、ＥＣＵ３に出力される。つまりＥＣＵ３側では、センサシミュレータ１におけるセンサシミュレータ１自身の基準電位と基礎信号の出力値との電位差が、ＥＣＵ３におけるＥＣＵ３自身の基準電位と劣化信号の出力値との電位差として保持された状態で、劣化信号を受け取ることができる。従って本実施の形態のセンサシミュレータ１を、如何なる形態のガスセンサとＥＣＵとの間に介在させても、その使用環境に影響されることなく精度のよい劣化信号を生成し、ＥＣＵに対し出力することができる。従って、如何なる形態のＥＣＵに対しても、本実施の形態のセンサシミュレータ１を用いることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られず、各種の変形が可能である。例えば、基準電位重畳出力回路４０の構成に計測アンプ４１を用いたが、必ずしも電気回路に計測アンプを組み込む必要はなく、増幅器を用いて基礎信号にＥＣＵ３の基準電位を重畳できる電気回路を有すればよい。

また、本実施の形態では、基礎信号生成プログラムを実行することでソフトウェア的に基準信号から基礎信号を生成したが、ロジック回路を構成したアナログまたはデジタル回路を作製し、基礎信号の生成し、さらにその基礎信号を基とする劣化信号を生成してもよい。

また、本実施の形態では、基礎信号を基とする劣化信号の生成を、アナログ回路からなる基準電位重畳出力回路４０を用いて行ったが、デジタル回路を用いてこの処理を行ってもよい。例えば、図６に示す回路構成を有するセンサシミュレータ１０１を作製し、前述した基準信号生成プログラムに、基準信号を生成してさらに劣化信号を生成する処理を追加した、図７に示す劣化信号生成プログラムを実行させてもよい。以下、このセンサシミュレータ１０１について説明する。

図６に示すセンサシミュレータ１０１は、本実施の形態と同様に、基準センサ２とＥＣＵ３との間に介在させて使用する。基準センサ２のＯＺ（＋）ポート、ＯＺ（−）ポートおよびＥＣＵ３の基準電位に接続されるＯＺ（−）ポートは、センサシミュレータ１０１の入力インターフェイス１２０に接続され、各出力が、Ａ／Ｄコンバータ１３０を介してＡ／Ｄ変換されて、マイクロコンピュータ１１０に入力される。マイクロコンピュータ１１０は、本実施の形態と同様のＣＰＵ１１、ＥＥＰＲＯＭ１２、ＲＡＭ１３を有し、図３で説明したＥＥＰＲＯＭ１２のプログラム記憶エリア１２２に、図７に示す、劣化信号生成プログラムを記憶する。そして設定値記憶エリア１２１と初期値記憶エリア１２３に、劣化信号生成プログラムの実行の際に使用される各変数（Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ，Ｏｆｆｓｅｔ，Ｖｏｕｔ，Ｖｓｔｄ）の設定値と初期値がそれぞれ記憶されることは、本実施の形態と同様である。

ＲＡＭ１３は、図４で説明した変数記憶エリア１３２に、図７に示す、劣化信号生成プログラムの実行の際に使用される各変数（Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ，Ｏｆｆｓｅｔ，Ｖｏｕｔ，Ｖｓｔｄ）の値が一時的に記憶される記憶エリアを有する。Ｖｉｎ，Ｖｂａｓｅ，Ｏｆｆｓｅｔについては本実施の形態と同様である。「Ｖｓｔｄ」は、ＥＣＵ３から取得するＥＣＵ３の基準電位を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。「Ｖｏｕｔ」は、基礎信号の電圧値ＶｂａｓｅにＥＣＵ３の基準電位Ｖｓｔｄを重畳して生成した劣化信号の電圧値を記憶するための変数であり、初期値には０がセットされる。

また、図６に示すように、マイクロコンピュータ１１０はＤ／Ａコンバータ１５０を介して出力バッファ１４０に接続されており、マイクロコンピュータ１１０で生成される劣化信号は、Ｄ／Ａ変換後、出力バッファ１４０を介してＥＣＵ３のＯＺ（＋）ポートに対し、出力される。なお、マイクロコンピュータ１１０に接続された入力部６０と、表示制御部７０を介してマイクロコンピュータ１１０に接続された表示部８０の構成や動作については本実施の形態と同様である。

次に、劣化信号生成プログラムについて説明する。なお、Ｓ３０〜Ｓ４２の処理は、それぞれ、基礎信号生成プログラムのＳ１０〜Ｓ２２の処理と同内容の処理であり、これら各処理の説明については簡略化または省略する。

図７に示す劣化信号生成プログラムが実行されると、本実施の形態と同様に、劣化信号生成プログラムで使用される各種変数の初期化が行われ（Ｓ３０）、次いで１ｍｓ毎のリセット信号の受信待ちが行われる（Ｓ３１：ＮＯ）。そしてリセット信号の受信を契機に（Ｓ３１：ＹＥＳ）、Ａ／Ｄコンバータ１３０（図６参照）を介して基準センサ２の出力電圧（すなわち基準信号であり電圧値Ｖｉｎ）が取得される（Ｓ３２）。この基準信号（電圧値Ｖｉｎ）にオフセット値Ｏｆｆｓｅｔが加算され、基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）が生成される（Ｓ３４）。

次に、Ｓ３８〜Ｓ４２で、電圧値Ｖｂａｓｅが適正値に収まるように補正が行われる。具体的に、Ｖｂａｓｅが５Ｖ以上となれば４．９９Ｖに補正され（Ｓ３８：ＹＥＳ，Ｓ４２）、０Ｖ未満となれば０Ｖに補正される（Ｓ３８：ＮＯ，Ｓ３９：ＹＥＳ，Ｓ４０）。また、Ｖｂａｓｅが０Ｖ以上５Ｖ未満であれば（Ｓ３８：ＮＯ，Ｓ３９：ＮＯ）、Ｖｂａｓｅは適正値であると判断され、補正は行われない。

そしてＳ４３に進み、基礎信号にＥＣＵ３の基準電位を重畳して劣化信号を生成する処理が行われる。まず、Ａ／Ｄコンバータ１３０（図６参照）を介して入力されるＥＣＵ３の基準電位が取得され、変数Ｖｓｔｄとして記憶される（Ｓ４３）。そして、この基準電位Ｖｓｔｄを基礎信号（電圧値Ｖｂａｓｅ）に加算することで、劣化信号が生成され、変数Ｖｏｕｔとして記憶される（Ｓ４４）。生成された劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）は、Ｄ／Ａコンバータ１５０に出力されてＤ／Ａ変換され（Ｓ４６）、出力バッファ１４０に出力される。その後Ｓ３１に戻り、１ｍｓごとに新たに取得される基準信号を基に劣化信号が生成されることは、本実施の形態と同様である。出力バッファ１４０では、アナログの電圧値に変換された劣化信号をＥＣＵ３に出力するが、次回の劣化信号（電圧値Ｖｏｕｔ）が生成されるまで、ＥＣＵ３への出力は、前回の電圧値が維持された状態で行われる。このように、基準センサ２から取得した基準信号をＡ／Ｄ変換し、デジタル処理によって基礎信号を生成し、さらにその基礎信号から劣化信号をデジタルデータのまま生成して、Ｄ／Ａ変換後、ＥＣＵ３に出力してもよい。

また、本実施の形態のセンサシミュレータ１は、基準信号をオフセット補正した劣化信号を生成することができるが、前述したように、基準信号のゲインや応答特性、遅延時間を変更した劣化信号も生成することができるようにしてもよい。そして、上記のように基準信号のゲインや応答特性、遅延時間を変更する場合、ゲインを変更するための利得率、応答特性を変更するための変移率、遅延時間について、目標空燃比がリッチ側からリーン側へ変更された場合と、リーン側からリッチ側へ変更された場合とで、それぞれ個別に設定できるようにすると、精密な空燃比フィードバック制御を実現可能なシステムの開発をより高度に行えるセンサシミュレータ１を提供できる観点から、なおよい。

また、例えばＵＳＢやＲＳ２６２Ｃ等の入出力インターフェイスを備え、対応するケーブルを用いてパーソナルコンピュータに接続し、設定値等の入力や表示確認等を行ってもよい。また、基準センサ２の基準信号や、生成した劣化信号をその入出力インターフェイスを介してパーソナルコンピュータに出力し、パーソナルコンピュータ上で出力波形を生成してモニタリングできるようにしてもよいし、もちろん、表示部８０に出力波形を表示させてもよい。

センサシミュレータ１の概略的な構成を示すブロック図である。 基準電位重畳出力回路４０の概略的な電気回路の構成を示す図である。 ＥＥＰＲＯＭ１２の記憶エリアの構成を示す概念図である。 ＲＡＭ１３の記憶エリアの構成を示す概念図である。 基礎信号生成プログラムのフローチャートである。 変形例としてのセンサシミュレータ１０１概略的な構成を示すブロック図である。 変形例としての劣化信号生成プログラムのフローチャートである。

符号の説明

１ センサシミュレータ
２ 基準センサ
１０ マイクロコンピュータ
１１ ＣＰＵ
Ｖｉｎ 基準信号
Ｖｂａｓｅ 基礎信号
Ｖｓｔｄ 基準電位
Ｖｏｕｔ 劣化信号
Ｏｆｆｓｅｔ オフセット値

Claims (4)

1. 被測定ガス中の特定成分の濃度に応じた検出信号を出力するガスセンサが劣化したときの前記検出信号の出力値を疑似的に生成し、劣化信号として、内燃機関の制御を司る電子制御装置に出力するガスセンサの劣化信号生成装置であって、
   基準となる前記ガスセンサである基準センサに接続され、前記基準センサが出力する前記検出信号を基準信号として取得する基準信号取得手段と、
   取得した前記基準信号の出力値を、所望する劣化状態に応じて変更し、前記劣化信号の基となる基礎信号を生成する基礎信号生成手段と、
   前記電子制御装置が自身の駆動にあたって電位の基準とする基準電位を、前記電子制御装置から取得する基準電位取得手段と、
   前記基礎信号の出力値に前記基準電位を重畳し、前記劣化信号を生成する劣化信号生成手段と
   を備えたことを特徴とするガスセンサの劣化信号生成装置。
2. 前記基礎信号生成手段は、前記基準信号の出力値を上下に変更するためのオフセット値を前記基準信号に重畳し、前記基礎信号を生成することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサの劣化信号生成装置。
3. 前記劣化信号生成手段は、前記基礎信号生成手段が生成した前記基礎信号と、前記基準電位取得手段が取得した前記基準電位とが入力され、前記劣化信号を生成して前記電子制御装置へ出力する増幅器を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサの劣化信号生成装置。
4. 前記劣化信号生成手段は、前記基礎信号生成手段が生成した前記基礎信号と、前記基準電位取得手段が取得した前記基準電位とが入力され、前記劣化信号を生成して前記電子制御装置へ出力するデジタル回路を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のガスセンサの劣化信号生成装置。

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