JP2009063329A - ガスセンサの劣化シミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】多様な劣化状況のシミュレーションが可能となり、その実用性を大いに向上させる。
【解決手段】劣化シミュレータ３０には、むだ時間設定回路部３５と、時定数設定回路部３６と、ゲイン設定回路部３７と、オフセット設定回路部３８とが設けられている。各設定回路部３５〜３８は、それぞれ擬似劣化成分を付与する状態（劣化シミュレーション状態）と付与しない状態（ノーマル状態）とで切替可能となっており、マイコン３２からの指令信号に基づいて劣化シミュレーション状態とノーマル状態とが適宜切り替えられる。また、各設定回路部３５〜３８には、マイコン３２から、リーン変化／リッチ変化のいずれの場合に模擬劣化の状態とするかを示す指令信号や、各可変モードでのボリューム調整値を示す指令信号が随時入力されるようになっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ガスセンサの劣化シミュレータに関するものである。

従来から、内燃機関の排ガスを検出対象として同ガス中の酸素濃度を検出する酸素センサについて、同センサの出力を模擬的に劣化状態とする劣化シミュレータが提案されている。こうした劣化シミュレータによれば、長時間の耐久試験を行わなくても、又は劣化状態の酸素センサを製造しなくても、所望とする劣化状態の酸素センサ（擬似センサ）を容易に得ることができるとしていた。

劣化シミュレータの１つとして、例えば特許文献１では、酸素濃淡電池セルと酸素ポンピングセルとを有する酸素センサ（いわゆる２セルセンサ）について、劣化目標に応じて酸素ポンピング電流を可変とする信号処理部と、劣化目標に応じて素子抵抗信号や信号処理部の出力信号を可変としてＥＣＵに出力する擬似センサとを有する構成が開示されている。また、信号処理部のより具体的な構成として、酸素ポンピング電流についてオフセットを上下するオフセット補正手段、ゲインを変化させるゲイン補正手段、変化の遅れ（時定数）を変化させる応答特性補正手段の少なくともいずれかを有する構成が開示されている。
特許第３８６９３３８号公報

しかしながら、本願発明者らの知見によれば、例えば排ガスを検出対象とするガスセンサでは、センサ素子自体の劣化の他にも、排ガス中に含まれる各種物質の素子カバーへの付着など、センサ出力の劣化を生じさせる各種要因が存在しており、それゆえに、これまで想定されていた劣化シミュレーションでは十分に対処できないことが考えられる。すなわち、既存の劣化シミュレータでは、想定される劣化状況には制限があり、未だ改善の余地が残されている。

本発明は、多様な劣化状況のシミュレーションが可能となり、その実用性を大いに向上させることができるガスセンサの劣化シミュレータを提供することを主たる目的とするものである。

以下、上記課題を解決するための手段、及びその作用効果について説明する。

本発明では、ガスセンサの劣化シミュレータにおいて、濃度変化時のセンサ出力に対して時定数遅れを可変設定する時定数遅れ設定手段と、同じく濃度変化時のセンサ出力に対してむだ時間遅れを可変設定するむだ時間遅れ設定手段と、前記時定数遅れ設定手段及び前記むだ時間遅れ設定手段により時定数遅れとむだ時間遅れとのいずれか一方又は両方が可変設定された状態で劣化シミュレーションを実行するシミュレーション実行手段と、を備えることを特徴とする。

要するに、この種のガスセンサでは、センサ出力の応答遅れ態様として、時定数遅れとむだ時間遅れとがある。これら時定数遅れやむだ時間遅れは、長期の使用に伴い現れる劣化事象であり、例えば、被検出ガス（排ガス等）の雰囲気に晒される電極の汚染などを要因として時定数遅れが生じ、素子カバーに形成された通気孔の目詰まりなどを要因としてむだ時間遅れが生じると考えられる。

本発明によれば、むだ時間遅れと時定数遅れとの設定が可能であるため、上述した電極の汚染やカバー通気孔の目詰まり等に起因する劣化を好適にシミュレート（模擬）できる。その結果、多様な劣化状況のシミュレーションが可能となり、その実用性を大いに向上させることができる。

請求項２に記載の発明では、前記時定数遅れ設定手段により可変設定される時定数遅れと、前記むだ時間遅れ設定手段により可変設定されるむだ時間遅れとをそれぞれ、前記ガス濃度が濃化変化する場合と薄化変化する場合とで個別に設定可能としている。

上記構成によれば、ガス濃度が濃化変化する場合のセンサ出力の劣化シミュレーションと、薄化変化する場合のセンサ出力の劣化シミュレーションとを各々独立して（換言すれば非対称に）実行することができる。したがって、ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とで非対称に劣化が生じることも想定して劣化シミュレーションを実行することができる。

例えば、固体電解質層を挟む一対の電極のうち被検出ガス側の電極と基準ガス（大気等）側の電極とでは汚染状況が異なるため、ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とでセンサ出力応答が相違すると考えられるが、こうした事象の劣化も好適にシミュレート（模擬）できる。空燃比（酸素濃度）をリニアに検出するＡ／Ｆセンサの場合、リーン変化時とリッチ変化時とが、ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とに相当し、リーン変化時とリッチ変化時とで時定数遅れとむだ時間遅れとを個別に可変設定するとよい。

請求項３に記載の発明では、前記ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とでその変化態様を対称とするか非対称とするかを切り替える切替手段を備えている。そして、変化態様を対称とする場合、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくともいずれかを、濃化変化時と薄化変化時とで共通の遅れ時間調整手段を用いて調整する一方、変化態様を非対称とする場合、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくともいずれかを、濃化変化時と薄化変化時とで個別の遅れ時間調整手段を用いて調整する。

上記構成によれば、変化態様の対称／非対称の切替により、ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とで非対称に劣化が生じることも想定して劣化シミュレーションを実行することができる。また、変化態様を対称とする場合には、共通の遅れ時間調整手段の調整を行うだけで濃化変化時及び薄化変化時の両方の遅れ時間が調整でき、変化態様を非対称とする場合には、個別の遅れ時間調整手段により、濃化変化時の遅れ時間と薄化変化時の遅れ時間とを任意に調整できる。

また、請求項４に記載の発明では、前記センサ出力のゲインを可変設定するゲイン設定手段と、前記センサ出力のオフセットを可変設定するオフセット設定手段とをさらに備える。そして、前記シミュレーション実行手段は、前記時定数遅れ設定手段による時定数遅れの設定、前記むだ時間遅れ設定手段によるむだ時間遅れの設定、前記ゲイン設定手段によるゲイン設定、及び前記オフセット設定手段によるオフセット設定のうち少なくとも１つの設定が行われた状態で劣化シミュレーションを実行する。

ガスセンサのセンサ出力に関する劣化の事象としては、時定数遅れやむだ時間遅れ以外に、ゲイン劣化やオフセット劣化が想定される。請求項４の発明によれば、時定数遅れ及びむだ時間遅れ以外にも、ゲイン劣化やオフセット劣化についても任意に設定でき、劣化シミュレーションの更なる多様化を図ることができる。

また、請求項５に記載の発明では、前記センサ出力のゲインを可変設定するゲイン設定手段と、前記センサ出力のオフセットを可変設定するオフセット設定手段とをさらに備える。そして、前記シミュレーション実行手段は、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくとも一方の設定に加え、前記ゲイン設定手段によるゲイン設定と前記オフセット設定手段によるオフセット設定との少なくとも一方がなされた状態で劣化シミュレーションを実行する。

請求項５の発明によれば、時定数遅れやむだ時間遅れの劣化シミュレーションに加えて、ゲイン劣化やオフセット劣化の劣化シミュレーションも実行できるため、劣化シミュレーションの更なる多様化を図ることができる。

ここで、センサ素子が、酸素濃度に応じた起電力信号を出力する起電力セルを有するものである場合（還元すれば、ガスセンサが、起電力出力型Ｏ2センサや、いわゆる２セル構造のＡ／Ｆセンサなどである場合）、リッチ側とリーン側とで個別にゲイン劣化やオフセット劣化が生じることが考えられる。そこで、上記のようにゲインとオフセットとを可変設定可能とした構成では、請求項６に記載したように、前記ゲイン設定手段により可変設定されるゲインと、前記オフセット設定手段により可変設定されるオフセットとのうち少なくとも１つを、リッチガスである場合とリーンガスである場合とで個別に設定可能にするとよい。

上記構成によれば、ゲイン劣化とオフセット劣化とについて、リッチガスである場合のセンサ出力の劣化シミュレーションと、リーンガスである場合のセンサ出力の劣化シミュレーションとを各々独立して（換言すれば非対称に）実行することができる。したがって、リッチガスとリーンガスとで非対称に劣化が生じることも想定して劣化シミュレーションを実行することができる。

また、請求項７に記載の発明では、前記時定数遅れ設定手段により設定可能な時定数遅れの最大値（時定数の上限値）、及び前記むだ時間遅れ設定手段により設定可能なむだ時間遅れの最大値（むだ時間の上限値）の少なくとも一方を可変に設定できる構成としている。

本構成によれば、時定数遅れの最大値、又はむだ時間遅れの最大値が可変に設定できるため、劣化シミュレーションにおける実行条件を、本ガスセンサが適用されるシステムの仕様や製品ニーズ（顧客ニーズを含む）等に応じて任意に変更できるようになる。

請求項８に記載の発明では、前記センサ素子及び同センサ素子に通じる電気経路の断線や短絡に関する異常のシミュレーションを実行する。本構成によれば、時定数遅れやむだ時間遅れについての劣化シミュレーションに加えて、センサ素子の断線や短絡異常についてシミュレートできる。

ここで、請求項９に記載したように、前記センサ素子に通じる電気経路の途中に、同電気経路を、開放状態、電源短絡状態、グランド短絡状態、正負両端子間の短絡状態の少なくともいずれかにすることが可能な素子異常切替手段を備えるとよい。これにより、センサ素子に通じる電気経路が、開放状態（断線状態）、電源短絡状態（バッテリ短絡状態）、グランド短絡状態（ＧＮＤ短絡状態）、正負両端子間の短絡状態のいずれかになることを想定して異常シミュレーションを実行することができる。具体的には、センサ素子とセンサ制御装置（ＥＣＵ等）との間に、素子異常切替手段としての素子異常切替回路が設けられるとよい。なお、開放状態、電源短絡状態、グランド短絡状態についての素子異常切替手段は、センサ素子の正負各端子にそれぞれ設けられるとよい。

請求項１０に記載の発明では、前記ガスセンサは、前記センサ素子を活性温度に加熱するヒータを備えており、前記ヒータ及び同ヒータに通じる電気経路の断線や短絡に関する異常のシミュレーションを実行する。本構成によれば、時定数遅れやむだ時間遅れについての劣化シミュレーションに加えて、素子活性化用のヒータの断線や短絡異常についてシミュレートできる。

ここで、請求項１１に記載したように、前記ヒータに通じる電気経路の途中に、同電気経路を、開放状態、電源短絡状態、グランド短絡状態の少なくともいずれかにすることが可能なヒータ異常切替手段を備えるとよい。これにより、ヒータに通じる電気経路が、開放状態（断線状態）、電源短絡状態（バッテリ短絡状態）、グランド短絡状態（ＧＮＤ短絡状態）のいずれかになることを想定して異常シミュレーションを実行することができる。具体的には、ヒータとヒータ制御装置（ＥＣＵ等）との間に、ヒータ異常切替手段としてのヒータ異常切替回路が設けられるとよい。

請求項１２に記載の発明では、エンジンの吸気通路又は排気通路に設けられるガスセンサに適用され、前記ガスセンサが設けられた通路内のガス濃度が随時変更されその状態で劣化シミュレーションを実行する劣化シミュレータであり、前記吸気通路又は排気通路を流れるガスの流量又は流速に基づいて前記時定数遅れ及び前記むだ時間遅れの少なくともいずれかを修正する。

要するに、吸気通路又は排気通路を流れるガスを検出対象とする場合、そのガス流量やガス流速が大小変化すると、センサ応答性にも差異が生じると考えられる。例えば、ガス流量が多くなる、又はガス流速が大きくなると、それに伴いセンサ応答性が向上する。こうしてセンサ応答性に差異が生じると、劣化シミュレーションの精度低下が懸念される。この点、請求項１２の発明によれば、ガス流量やガス流速に基づいて時定数遅れやむだ時間遅れの設定が変更されるため、劣化シミュレーションの精度低下を抑制することができる。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。本実施形態では、車載ガソリンエンジンより排出される排ガス（燃焼ガス）を被検出ガスとして同ガス中の酸素濃度（空燃比：Ａ／Ｆ）を検出するＡ／Ｆセンサを用い、そのＡ／Ｆセンサを対象に劣化シミュレーションを実行する劣化シミュレータについて説明する。

はじめに、Ａ／Ｆセンサ１０の構成を図３を用いて説明する。図３において（ａ）はＡ／Ｆセンサ１０の全体を示す外観図であり、（ｂ）は同センサ１０を構成するセンサ素子２０の内部構成を示す断面図（（ａ）のＡ−Ａ線断面図、ただしカバー断面を除く）である。

図３（ａ）に示すように、Ａ／Ｆセンサ１０は、先端側カバー１１とハウジング１２と基端側カバー１３とを有し、全体として略円柱状をなす。そして、その内部に長尺状のセンサ素子２０が収容されている。Ａ／Ｆセンサ１０は、ハウジング１２にて排気管ＥＰの壁部に取り付けられるようになっており、その取り付けられた状態では先端側カバー１１が排気管ＥＰ内に配され、先端側カバー１１に設けられた複数の小孔（通気孔）１１ａを通じて排ガスがセンサ素子２０に供給されるようになっている。センサ素子２０は、いわゆる積層型構造を有するものである。なお、図示は省略するが、先端側カバー１１は内外二重構造となっており、内外の各カバーには、センサ素子２０の被水防止対策として、その内外に互い違いとなる位置に、すなわち迷路状に複数の小孔１１ａが設けられている。

図３（ｂ）に示すように、センサ素子２０は、固体電解質層２１、拡散抵抗層２２、遮蔽層２３及び絶縁層２４を有し、これらが図の上下に積層されて構成されている。同素子２０の周囲には図示しない保護層が設けられている。長方形板状の固体電解質層２１（固体電解質体）は部分安定化ジルコニア製のシートであり、その固体電解質層２１を挟んで上下一対の電極２５，２６が対向配置されている。電極２５，２６は白金Ｐｔ等の貴金属により形成されている。拡散抵抗層２２は電極２５へ排ガスを導入するための多孔質シートからなり、遮蔽層２３は排ガスの透過を抑制するための緻密層からなる。これら各層２２，２３は何れも、アルミナ、ジルコニア等のセラミックスをシート成形法等により成形したものであるが、ポロシティの平均孔径及び気孔率の違いによりガス透過率が相違するものとなっている。

絶縁層２４はアルミナ、ジルコニア等のセラミックスからなり、電極２６に対面する部位には大気ダクト２７が形成されている。また、同絶縁層２４には白金Ｐｔ等により形成されたヒータ２８が埋設されている。ヒータ２８は、バッテリ電源からの通電により発熱する線状の発熱体よりなり、その発熱により素子全体を加熱する。ヒータ２８は、絶縁層２４に埋設される構成（センサ素子２０に内蔵される構成）以外に、センサ素子２０に外付けされる構成であってもよい。

上記構成のＡ／Ｆセンサ１０では、センサ素子２０の両電極２５，２６間に所定の電圧を印加することにより、排ガス中の酸素濃度に応じた電流が固体電解質層２１に流れ、その電流（素子電流）が逐次計測される。そして、素子電流の計測値に基づいて酸素濃度（Ａ／Ｆ）が算出される。

次に、上記構成のＡ／Ｆセンサ１０を対象として劣化シミュレーションを実行する劣化シミュレーションシステムについて図１を参照しながら説明する。

図１に示す劣化シミュレーションシステムにおいて、劣化シミュレータ３０には、Ａ／Ｆセンサ１０のセンサ素子２０及びヒータ２８が接続されるとともに、ＥＣＵ５０が接続されている。

ここで、ＥＣＵ５０は、車両に搭載されるエンジンＥＣＵであり、都度の運転状態に基づいて燃料噴射弁の燃料噴射量や点火装置による点火時期を最適に制御する。特に空燃比検出に関する構成として、Ａ／Ｆセンサ１０を駆動するセンサ駆動回路５１と、ＣＰＵや各種メモリ等からなるマイコン（マイクロコンピュータ）５２とを備えており、エンジンの通常運転時には、Ａ／Ｆセンサ１０（センサ素子２０）から出力されるＡ／Ｆ検出信号がセンサ駆動回路５１に逐次入力され、その入力信号が適宜増幅されてマイコン５２に出力される。また、センサ駆動回路５１は、信号増幅機能の他、都度のセンサ出力に応じてセンサ印加電圧を可変設定する印加電圧制御機能や、センサ素子２０の抵抗値（素子インピーダンス）を検出するインピーダンス検出機能等を備えている。

つまり、通常のエンジンシステムでは、Ａ／Ｆセンサ１０とＥＣＵ５０とが直接接続される。そして、ＥＣＵ５０内のセンサ駆動回路５１によりＡ／Ｆセンサ１０が駆動される。このとき、センサ駆動回路５１により、上述したとおりＡ／Ｆ検出信号の増幅処理や、センサ印加電圧の可変設定処理、インピーダンス検出処理等が実行される。

一方、劣化シミュレータ３０は、センサ駆動回路３１とマイコン３２とを備えている。センサ駆動回路３１には、センサ素子２０の負側端子Ｓ−が接続されるとともに、電流計測抵抗３３を介してセンサ素子２０の正側端子Ｓ＋が接続されている。電流計測抵抗３３により、センサ素子２０に流れる素子電流が計測されるようになっている。センサ駆動回路３１とマイコン３２は、基本的にＥＣＵ５０内のセンサ駆動回路５１とマイコン５２と同じ構成を有するものであり、センサ駆動回路３１について言うと、信号増幅機能や、印加電圧制御機能、インピーダンス検出機能等を備えている。なお、説明を省いたが、劣化シミュレータ３０と同様にＥＣＵ５０内にも電流計測抵抗が設けられている。

また、劣化シミュレータ３０は、センサ出力を模擬的に劣化状態とするための模擬劣化設定機能を有しており、電流計測抵抗３３により計測された素子電流値（センサ出力）に対して模擬的な劣化成分を付与し、その模擬劣化状態としたセンサ検出信号をＥＣＵ５０に出力する。以下その詳細を説明する。

まず模擬劣化モードについて説明する。本実施形態では、模擬劣化モードとして、以下の各モードがあらかじめ定められている。
（ａ）むだ時間可変モード
（ｂ）時定数可変モード
（ｃ）ゲイン可変モード
（ｄ）オフセット可変モード
上記の少なくともいずれかのモードにおいて模擬劣化の状態が可変設定される。この場合、上記（ａ）〜（ｄ）の各モードについて設定／非設定（ＯＮ／ＯＦＦ）の切替が可能であり、また、２つ以上のモードを同時に設定することが可能となっている。上記（ａ），（ｂ）が応答劣化に関する模擬劣化モードである。

また、むだ時間可変モード及び時定数可変モードにおいて、空燃比がリーン側に変化するリーン変化と、リッチ側に変化するリッチ変化とで、各々個別に模擬劣化状態の設定が可能となっており、これにより、リーン変化及びリッチ変化において模擬劣化状態を対称に設定することと、非対称に設定することとが可能となっている。

さらに、各モードにおいて、個別にボリューム調整が可能となっている。すなわち、むだ時間可変モードにおけるむだ時間のボリューム調整、時定数可変モードにおける時定数のボリューム調整、ゲイン可変モードにおけるゲインボリューム調整、オフセット可変モードにおけるオフセットボリューム調整が可能となっている。

具体的な回路構成で言えば、図１に示すように、劣化シミュレータ３０には、むだ時間設定回路部３５と、時定数設定回路部３６と、ゲイン設定回路部３７と、オフセット設定回路部３８とが設けられている。この場合、むだ時間設定回路部３５、時定数設定回路部３６、及びゲイン設定回路部３７が直列に接続されている。そして、ゲイン設定回路部３７の出力と、オフセット設定回路部３８の出力とが加算回路３９に入力されるようになっている。なお、オフセット設定回路部３８において、オフセット付与時には所定の負電圧（−５Ｖ）〜所定の正電圧（＋５Ｖ）の範囲内でオフセット電圧が設定され、オフセット非付与時にはオフセット電圧＝０Ｖとされる。

むだ時間設定回路部３５、時定数設定回路部３６、ゲイン設定回路部３７、及びオフセット設定回路部３８は、それぞれ擬似劣化成分を付与する状態（劣化シミュレーション状態）と付与しない状態（ノーマル状態）とで切替可能となっており、マイコン３２からの指令信号に基づいて劣化シミュレーション状態とノーマル状態とが適宜切り替えられる。また、各設定回路部３５〜３８には、マイコン３２から、リーン変化／リッチ変化のいずれの場合に模擬劣化の状態とするかを示す指令信号や、上述した各可変モードでのボリューム調整値を示す指令信号が随時入力されるようになっている。なお本実施形態では、むだ時間設定回路部３５においてマイコン３２からの指示（ソフトウエア処理）によってむだ時間遅れの設定がなされ、時定数設定回路部３６においてハードウエア回路によって時定数遅れの設定がなされる。ただしその構成は任意であり、変更可能である。

上記構成において、電流計測抵抗３３により計測された素子電流値は、Ｉ−Ｖ変換回路３４を介してむだ時間設定回路部３５に入力され、その後、時定数設定回路部３６とゲイン設定回路部３７とを経由して加算回路３９に入力される。このとき、素子電流信号に対して、むだ時間（むだ時間遅れ）、時定数（時定数遅れ）、ゲインの少なくともいずれかに関する劣化成分が付与された電圧信号、又はいずれの劣化成分も付与されていない電圧信号（素子電流信号そのものに相当）が加算回路３９に入力される。また、加算回路３９では、各設定回路部３５〜３７を経由して入力される電圧信号に対してオフセット設定回路部３８の出力（オフセット設定電圧）が加算され、その加算後の電圧信号がＶ−Ｉ変換回路４０を介してＥＣＵ５０のセンサ駆動回路５１に出力される。

また、劣化シミュレータ３０には、作業者（ユーザ）による入力操作が可能な入力操作部４１が設けられている。この入力操作部４１によれば、模擬劣化モードの設定、対称／非対称の切替、ボリューム調整について作業者による設定入力が可能であり、入力操作部４１への設定入力の結果がマイコン３２に取り込まれる。入力操作部４１は、例えば、劣化シミュレータ３０を構成する筐体に一体に設けられている。その他、入力操作部４１がキーボード入力装置として構成されていてもよい。

図２に示すように、操作入力部４１は、モード切替部４２と、対称／非対称切替部４３と、ボリューム調整部４４とを備えている。より詳細には、モード切替部４２は、
・むだ時間擬似劣化について、むだ時間可変モードとするかノーマルモードとするかを切り替える切替スイッチＳＷ１と、
・時定数擬似劣化について、時定数可変モードとするかノーマルモードとするかを切り替える切替スイッチＳＷ２と、
・ゲイン擬似劣化について、ゲイン可変モードとするかノーマルモードとするかを切り替える切替スイッチＳＷ３と、
・オフセット擬似劣化について、オフセット可変モードとするかノーマルモードとするかを切り替える切替スイッチＳＷ４と、
を備えている。

また、対称／非対称切替部４３は、
・むだ時間擬似劣化について、リーン変化及びリッチ変化を対称及び非対称のいずれにするか切り替える切替スイッチＳＷ１１と、
・時定数擬似劣化について、リーン変化及びリッチ変化を対称及び非対称のいずれにするか切り替える切替スイッチＳＷ１２と、
を備えている。

さらに、ボリューム調整部４４は、むだ時間擬似劣化、時定数擬似劣化、ゲイン擬似劣化、及びオフセット擬似劣化について、それぞれのボリューム調整を行うための調整ダイヤルＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４を備えている。ここで特に、むだ時間擬似劣化と時定数擬似劣化とについてはリーン変化及びリッチ変化を非対称とすることが可能となっているため、それぞれにリーン変化用の調整ダイヤルＤ１ａ，Ｄ２ａとリッチ変化用の調整ダイヤルＤ１ｂ，Ｄ２ｂとが設けられている。ただし、リーン変化及びリッチ変化を対称とする場合には、リーン／リッチの各調整量が同一であるため、各２つの調整ダイヤルのうち、一方（例えばＤ１ａ，Ｄ２ａ）を、リーン変化用・対称変化用の兼用とし、他方（例えばＤ１ｂ，Ｄ２ｂ）を、リッチ変化用としている（対称変化時には兼用ダイヤルのみ操作すればよい構成となっている）。

次に、劣化シミュレーションの実行時におけるセンサ出力の推移を図４のタイムチャートを参照して説明する。図４に示す各チャートは、劣化シミュレータ３０からＥＣＵ５０に対して出力されるＡ／Ｆ検出信号の推移を示すものである。また、（ａ）はノーマル（基準）波形を示しており、（ｂ１）〜（ｂ３）、（ｃ１）〜（ｃ３）、（ｄ１）〜（ｄ３）はそれぞれ模擬劣化波形を示している。（ａ）以外の各チャートには、（ａ）のノーマル波形を一点鎖線で示している。なお、図示するＡ／Ｆ推移は、センサ素子２０の周囲雰囲気、すなわち排気管内のガス雰囲気をリッチ⇔リーンで変化させることで実現される。

さて、（ａ）のノーマル波形において、Ａ／Ｆは、タイミングｔ１でＡＦ１（リッチ側所定値）からリーン側への変化を開始し、タイミングｔ２でＡＦ２（リーン側所定値）に収束する。またその後、Ａ／Ｆは、タイミングｔ３でＡＦ２からリッチ側への変化を開始し、タイミングｔ４でＡＦ１に収束する。タイミングｔ１がリーン変化開始タイミングであり、タイミングｔ３がリッチ変化開始タイミングである。

一方、（ｂ１）〜（ｂ３）では、むだ時間についての劣化シミュレーションを想定しており、リーン変化時及びリッチ変化時のむだ時間がそれぞれＴｄ１，Ｔｄ２として設定されている。詳しくは、（ｂ１）では、リーン変化及びリッチ変化のいずれにおいてもむだ時間可変モードがＯＮとされ（すなわち、図２のＳＷ１＝むだ時間可変モード、かつＳＷ１１＝対称とされ）、それぞれにむだ時間Ｔｄ１，Ｔｄ２が設定されている。このとき、リーン／リッチ兼用ダイヤルである調整ダイヤルＤ１ａの操作により、リーン変化及びリッチ変化のむだ時間Ｔｄ１，Ｔｄ２がそれぞれ可変設定される（Ｔｄ１＝Ｔｄ２）。

これに対し、（ｂ２），（ｂ３）では、リーン変化及びリッチ変化の一方についてのみむだ時間可変モードがＯＮとされる。すなわち、（ｂ２），（ｂ３）では、ＳＷ１＝むだ時間可変モード、かつＳＷ１１＝非対称とされている。そしてさらに、（ｂ２）では、リーン変化用の調整ダイヤルＤ１ａのみが調整されてむだ時間Ｔｄ１が可変設定され、（ｂ３）では、リッチ変化用の調整ダイヤルＤ１ｂのみが調整されてむだ時間Ｔｄ２が可変設定されている。

また、（ｃ１）〜（ｃ３）では、時定数についての劣化シミュレーションを想定しており、リーン変化時及びリッチ変化時の時定数がそれぞれτ１，τ２として設定されている。詳しくは、（ｃ１）では、リーン変化及びリッチ変化のいずれにおいても時定数可変モードがＯＮとされ（すなわち、図２のＳＷ２＝時定数可変モード、かつＳＷ１２＝対称とされ）、それぞれに時定数τ１，τ２が設定されている。このとき、リーン／リッチ兼用ダイヤルである調整ダイヤルＤ２ａの操作により、リーン変化及びリッチ変化の時定数τ１，τ２がそれぞれ可変設定される（τ１＝τ２）。なお本実施形態では、出力が最終値の６３％になるまでの時間を時定数としている。

これに対し、（ｃ２），（ｃ３）では、リーン変化及びリッチ変化の一方についてのみ時定数可変モードがＯＮとされる。すなわち、（ｃ２），（ｃ３）では、ＳＷ２＝時定数可変モード、かつＳＷ１２＝非対称とされている。そしてさらに、（ｃ２）では、リーン変化用の調整ダイヤルＤ２ａのみが調整されて時定数τ１が可変設定され、（ｃ３）では、リッチ変化用の調整ダイヤルＤ２ｂのみが調整されて時定数τ２が可変設定されている。

（ｄ１）〜（ｄ３）では、むだ時間及び時定数の両方についての劣化シミュレーションを想定しており、リーン変化時及びリッチ変化時のむだ時間がそれぞれＴｄ１，Ｔｄ２、時定数がそれぞれτ１，τ２として設定されている。詳しくは、（ｄ１）では、リーン変化及びリッチ変化のいずれにおいてもむだ時間可変モード及び時定数可変モードがＯＮとされ（すなわち、図２のＳＷ１＝むだ時間可変モード、ＳＷ２＝時定数可変モード、かつＳＷ１１，ＳＷ１２＝対称とされ）、それぞれにむだ時間Ｔｄ１，Ｔｄ２及び時定数τ１，τ２が設定されている。このとき、リーン／リッチ兼用ダイヤルである調整ダイヤルＤ１ａ，Ｄ２ａの各操作により、リーン変化及びリッチ変化のむだ時間Ｔｄ１，Ｔｄ２及び時定数τ１，τ２がそれぞれ可変設定される（Ｔｄ１＝Ｔｄ２、τ１＝τ２）。

これに対し、（ｄ２），（ｄ３）では、リーン変化及びリッチ変化の一方についてのみむだ時間可変モード及び時定数可変モードがＯＮとされる。すなわち、（ｄ２），（ｄ３）では、ＳＷ１＝むだ時間可変モード、ＳＷ２＝時定数可変モード、かつＳＷ１１，ＳＷ１２＝非対称とされている。そしてさらに、（ｄ２）では、リーン変化用の調整ダイヤルＤ１ａ，Ｄ２ａが調整されてむだ時間Ｔｄ１及び時定数τ１が可変設定され、（ｄ３）では、リッチ変化用の調整ダイヤルＤ１ｂ，Ｄ２ｂが調整されてむだ時間Ｔｄ２及び時定数τ２が可変設定されている。

以上がＡ／Ｆセンサ１０の応答劣化に関する劣化シミュレーションである。本実施形態の劣化シミュレータ３０では、上記以外に、ゲイン劣化、及びオフセット劣化に関する劣化シミュレーションが実行でき、それについて説明する。図５（ａ），（ｂ）には、Ａ／Ｆと素子電流ＩＬとの関係（センサ特性）を示しており、そのうち（ａ）はゲイン劣化が生じた場合のセンサ特性、（ｂ）はオフセット劣化が生じた場合のセンサ特性を示している。図５（ａ）では、劣化していない基本特性Ｘ１を実線で示し、ゲイン劣化しているセンサ特性Ｘ２，Ｘ３をそれぞれ一点鎖線及び二点鎖線で示している。また、図５（ｂ）では、劣化していない基本特性Ｘ１を実線で示し、オフセット劣化しているセンサ特性Ｘ４，Ｘ５をそれぞれ一点鎖線及び二点鎖線で示している。

ゲイン劣化についての劣化シミュレーションを実行する場合、ＳＷ３＝ゲイン可変モードとされるとともに、ゲインボリューム調整用の調整ダイヤルＤ３の操作によりゲインＧが可変設定される。これにより、図５（ａ）のように、基本特性Ｘ１に対してゲイン劣化成分が付与された劣化特性Ｘ２，Ｘ３が実現できる。

また、オフセット劣化についての劣化シミュレーションを実行する場合、ＳＷ４＝オフセット可変モードとされるとともに、オフセットボリューム調整用の調整ダイヤルＤ４の操作によりオフセットＦが可変設定される。これにより、図５（ｂ）のように、基本特性Ｘ１に対してオフセット劣化成分が付与された劣化特性Ｘ４，Ｘ５が実現できる。

上記のようなゲイン設定、又はオフセット設定は、図４で説明したむだ時間についての劣化シミュレーションや、時定数についての劣化シミュレーションの少なくともいずれかと併せて実行されるとよい。ただし、ゲイン設定又はオフセット設定を、むだ時間、時定数の劣化シミュレーションとは無関係に（すなわちむだ時間、時定数を設定せずに）実行することも可能である。

以上詳述した本実施形態によれば、以下の優れた効果が得られる。

模擬劣化モードとして時定数可変モードを設けたことにより、排ガス雰囲気に晒される素子電極（図３の電極２５）の汚染や多孔質拡散抵抗層（拡散抵抗層２２）の目詰まりなどを要因とする劣化を好適にシミュレートできる。また、模擬劣化モードとしてむだ時間可変モードを設けたことにより、先端側カバー１１の小孔１１ａの目詰まりなどを要因とする劣化を好適にシミュレートできる。さらに、時定数可変モードとむだ時間可変モードとを同時に設定可能としたことにより、素子電極の汚染や、多孔質拡散抵抗層の目詰まり、先端側カバー１１の小孔１１ａの目詰まりなどが同時に生じた場合の劣化を好適にシミュレートできる。以上により、多様な劣化状況のシミュレーションが可能となり、その実用性を大いに向上させることができる。

リーン変化時とリッチ変化時とでその変化態様を対称とするか非対称とするかを切替可能としたため、リーン変化時とリッチ変化時とで非対称に劣化が生じることも想定して劣化シミュレーションを実行することができる。例えば、センサ素子２０では、排ガス側の電極と大気側の電極とでは汚染状況が異なり、排ガス側電極が早く汚染される。より具体的には、排気ガス電極がＰｂ等で汚染されるため、リッチガスに対する応答性が低下する。こうした場合にも、リーン変化時とリッチ変化時との差異をあらかじめ考慮して好適に劣化シミュレーションを実行することができる。

リーン変化とリッチ変化とを非対称とする場合には、リーン／リッチで各々個別の調整ダイヤルにより時定数とむだ時間とを調整する構成としたため、それら時定数とむだ時間とを任意に調整できる。また、リーン変化とリッチ変化とを対称とする場合には、リーン／リッチ兼用の１つの調整ダイヤル（Ｄ１ａ，Ｄ２ａ）により時定数とむだ時間とを調整可能としたため、時間調整の際の作業性が向上する。

また、模擬劣化モードとしてゲイン可変モードと、オフセット可変モードとをさらに設けたため、劣化シミュレーションの更なる多様化を図ることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態では、上述した応答遅れ（むだ時間遅れ、時定数遅れ）等による劣化シミュレーションに加え、センサ素子２０に通じる電気経路やヒータ２８に通じる電気経路について断線や短絡に関する異常のシミュレーションを実行する構成としている。かかる場合の劣化シミュレータ３０の構成を図６に示す。なお、図６の劣化シミュレータ３０は、基本構成が図１の劣化シミュレータ３０と同一であり、共通の構成については同一の符号を付している。図中の「シミュレーション回路部」は、図１の各設定回路部３５〜３８及び加算回路３９に相当する。

図６の劣化シミュレータ３０では、センサ素子２０の負側端子電圧をＥＣＵ５０に出力する信号線ＳＬ１と、同センサ素子２０の正側端子電圧をＥＣＵ５０に出力する信号線ＳＬ２とにそれぞれスイッチ回路６１，６２が設けられている。これらスイッチ回路６１，６２は、各信号線ＳＬ１，ＳＬ２を正常に導通させる状態（図示の状態）を基本状態とし、かかる正常状態から断線状態、バッテリ短絡状態（ＶＢショート状態）、グランド短絡状態（ＧＮＤショート状態）にそれぞれ切替可能となっている。また、信号線ＳＬ１，ＳＬ２の間にはスイッチ回路６３が設けられている。スイッチ回路６３は、信号線ＳＬ１−ＳＬ２間を遮断した状態（図示の状態）を基本状態とし、かかる正常状態からＳＬ１−ＳＬ２間短絡状態に切替可能となっている。さらに、ヒータ制御線ＳＬ３にはスイッチ回路６４が設けられている。スイッチ回路６４は、ヒータ制御線ＳＬ３を正常に導通させる状態（図示の状態）を基本状態とし、かかる正常状態から断線状態、バッテリ短絡状態、グランド短絡状態にそれぞれ切替可能となっている。上述した各スイッチ回路６１〜６４は、マイコン３２、又は図示しない入力操作部からの信号により切替操作される。

スイッチ回路６１，６２及びスイッチ回路６４では、それぞれ断線／ＶＢショート／ＧＮＤショートの各状態に択一的に切替可能となっており、例えばＶＢショート状態とＧＮＤショート状態とが同時に設定されないようになっている。これにより、模擬異常状態として、同一のセンサ端子等でＶＢショート状態とＧＮＤショート状態とが同時に設定される、といった矛盾した状態が設定されないようになっている。

なお、スイッチ回路６１〜６３は、センサ素子２０についての断線・短絡異常のシミュレーション設定回路（素子異常切替回路）に相当し、スイッチ回路６４は、ヒータ２８についての断線・短絡異常のシミュレーション設定回路（ヒータ異常切替回路）に相当する。また、信号線ＳＬ１，ＳＬ２が「センサ素子に通じる電気経路」に相当し、ヒータ制御線ＳＬ３が「ヒータに通じる電気経路」に相当する。

そして、図６の劣化シミュレータ３０では、各スイッチ回路６１〜６４の状態を適宜制御することにより、以下に示す各異常がシミュレート（模擬）できるようになっている。なお、シミュレーション実行時には、下記のいずれか１つが実行される。
（１）スイッチ回路６１を開放状態に切り替える（正常接続、ＶＢ接続、ＧＮＤ接続以外の開放状態とする）。これにより、センサ負側端子の断線異常がシミュレートできる。
（２）スイッチ回路６１をＶＢ短絡状態に切り替える。これにより、センサ負側端子のＶＢショートがシミュレートできる。
（３）スイッチ回路６１をＧＮＤ短絡状態に切り替える。これにより、センサ負側端子のＧＮＤショートがシミュレートできる。
（４）スイッチ回路６２を開放状態に切り替える（正常接続、ＶＢ接続、ＧＮＤ接続以外の開放状態とする）。これにより、センサ正側端子の断線異常がシミュレートできる。
（５）スイッチ回路６２をＶＢ短絡状態に切り替える。これにより、センサ正側端子のＶＢショートがシミュレートできる。
（６）スイッチ回路６２をＧＮＤ短絡状態に切り替える。これにより、センサ正側端子のＧＮＤショートがシミュレートできる。
（７）スイッチ回路６３を導通状態に切り替える。これにより、センサ負側端子とセンサ正側端子との間の短絡異常がシミュレートできる。
（８）スイッチ回路６４を開放状態に切り替える（正常接続、ＶＢ接続、ＧＮＤ接続以外の開放状態とする）。これにより、ヒータ２８の断線異常がシミュレートできる。
（９）スイッチ回路６４をＶＢ短絡状態に切り替える。これにより、ヒータ２８のＶＢショートがシミュレートできる。
（１０）スイッチ回路６４をＧＮＤ短絡状態に切り替える。これにより、ヒータ２８のＧＮＤショートがシミュレートできる。

以上第２の実施形態によれば、時定数遅れやむだ時間遅れについての劣化シミュレーションに加えて、センサ素子２０やヒータ２８に関する異常（断線異常、短絡異常）についても好適にシミュレートできる。なお、上記構成によれば、センサ素子２０そのもの、又はヒータ２８そのもので断線、ＶＢショート、ＧＮＤショートが生じていることもシミュレートできる。

（他の実施形態）
本発明は上述した各実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施されても良い。

・上記各実施形態では、排ガスの空燃比（酸素濃度）をリニアに検出可能なＡ／Ｆセンサについて劣化シミュレータを説明したが、排ガスの空燃比（酸素濃度）に応じて異なる起電力信号を出力するＯ2センサ用の劣化シミュレータとしても具体化できる。このＯ2センサは、Ａ／Ｆセンサと同様に、固体電解質層とそれを挟む一対の電極（排気側電極、基準ガス側電極）とを有し、空燃比が理論空燃比（ストイキ）を基準にリッチかリーンかに応じて略２値の起電力信号を出力する。図７には、Ｏ2センサ用の劣化シミュレータ７０の構成を示す。

図７において、劣化シミュレータ７０には、Ｏ2センサ８１とＥＣＵ８２とが接続されている。劣化シミュレータ７０は、マイコン７１と、インターフェイス回路７２と、むだ時間設定回路部７３と、時定数設定回路部７４と、ゲイン設定回路部７５と、オフセット設定回路部７６と、加算回路７７とを備えている。この場合、むだ時間設定回路部７３、時定数設定回路部７４、及びゲイン設定回路部７５が直列に接続され、ゲイン設定回路部７５の出力とオフセット設定回路部７６の出力とが加算回路７７に入力されるようになっている。なお、各設定回路部７３〜７６の構成は、図１で説明した各設定回路部３５〜３８と同様であるため、ここではその説明を省略する。

その他に、劣化シミュレータ７０は入力操作部７８を備えている。入力操作部７８は、上述した入力操作部４１と同様に、模擬劣化モードの設定、対称／非対称の切替、ボリューム調整について作業者による設定入力が可能となっている。ただし、本実施形態の劣化シミュレータ７０では、ゲイン擬似劣化について、リーンガスの場合の劣化とリッチガスの場合の劣化とをそれぞれ対称及び非対称のいずれにするか切り替えることが可能となっており、入力操作部７８には、ゲイン擬似劣化についての対称／非対称切替スイッチが設けられている（図示は省略）。すなわち、リーンガスの場合とリッチガスの場合とでゲインが個別に可変設定可能となっている。

なお、劣化シミュレータ３０，７０の相違点として、Ａ／Ｆセンサ用の劣化シミュレータ３０ではセンサ出力（素子電流信号）が電流−電圧変換された後、劣化シミュレーションが実行されるのに対し、Ｏ2センサ用の劣化シミュレータ７０ではセンサ出力（起電力信号）の電流−電圧変換がなされずに劣化シミュレーションが実行されるようになっている。

ここで、Ｏ2センサでは、リッチ側とリーン側とで個別にゲイン劣化が生じることがある。つまり、図８（ａ），（ｂ）に実線で示すように、Ｏ2センサは本来、静特性として、ストイキ点（λ＝１）での起電力出力を中心としてリッチ側及びリーン側で対称となる起電力出力特性を有している。これに対し、リッチ側のゲイン劣化として、図８（ａ）に一点鎖線で示すように、リッチ起電力出力が低下する事象が生じる。また、リーン側のゲイン劣化として、図８（ｂ）に一点鎖線で示すように、リーン起電力出力が増加する事象が生じる。こうしてリッチ側及びリーン側で個別にゲイン劣化が生じることが想定されるが、本実施形態では、ゲイン擬似劣化について対称／非対称の切り替えを可能としたため、ゲイン劣化についてより好適なシミュレーションを実行できる。

なお、劣化シミュレータ７０において、オフセット擬似劣化についても、リーンガスの場合の劣化とリッチガスの場合の劣化とでそれぞれ対称及び非対称のいずれにするかを切り替え可能としてもよい。すなわち、リーンガスの場合とリッチガスの場合とでオフセットを個別に可変設定可能とする。

・図１の劣化シミュレータ３０では、模擬劣化パラメータとして、むだ時間、時定数、ゲイン、及びオフセットを個別に可変設定できる構成としたが、これを変更する。模擬劣化パラメータとして、少なくともむだ時間と時定数とを個別に可変設定できる構成とする。この場合、劣化シミュレータ３０を、シミュレーション回路部として少なくともむだ時間設定回路部３５と時定数設定回路部３６とを備える構成とする。

・図１の劣化シミュレータ３０において、むだ時間設定回路部３５で設定可能となるむだ時間の最大値（上限値）と、時定数設定回路部３６で設定可能となる時定数の最大値（上限値）との少なくとも一方を可変に設定できる構成としてもよい。これにより、劣化シミュレーションにおける実行条件を、本Ａ／Ｆセンサが適用されるシステムの仕様や製品ニーズ（車両メーカの要求を含む）等に応じて任意に変更できるようになる。具体的には、最大値切替スイッチを設け、同スイッチの切替に伴い、最大値をＴmax1⇔Ｔmax2（例えば、Ｔmax1＝１秒、Ｔmax2＝５秒）で切り替える構成とする。

上記のようにむだ時間の最大値や時定数の最大値を切り替える場合、その最大値を大きくすることで、劣化シミュレーションの設定範囲（むだ時間や時定数の設定範囲）を広げることができる。また逆に、最大値を小さくすることで、例えば、回転式ダイヤルの回動により調整値を設定する構成において、その回動角度あたりの調整量（いわば、設定操作時の分解能）を大きくし、その操作性を高めるようにすることができる。つまりこの場合、設定値の微調整が容易となる。

・本実施形態におけるＡ／Ｆセンサ１０は、エンジンの排気管（排気通路）に設けられるものであり、かかる構成において、排気管内を流れる排ガスの流量又は流速に基づいて都度のむだ時間や時定数の調整値（入力操作部４１の操作に伴う調整値）を修正する構成としてもよい。具体的には、劣化シミュレーション実行時における排ガスの流量又は流速を検出するとともに、その検出結果をマイコン３２（図１参照）に入力し、同マイコン３２にて排ガスの流量又は流速に基づいてむだ時間や時定数の修正を実行する。このとき、ダイヤル等による調整値に対して、排ガスの流量又は流速に基づいて補正が実行される構成であるとよい。なお、排ガスの流量又は流速は、吸入空気量等に基づき算出されるとよい。

要するに、排ガスの流量や流速が大小変化すると、センサ応答性にも差異が生じると考えられる。例えば、ガス流量が多くなる、又はガス流速が大きくなると、それに伴いセンサ応答性が向上する。こうしてセンサ応答性に差異が生じると、劣化シミュレーションの精度低下が懸念される。この点、上記のとおりガス流量やガス流速に基づいてむだ時間や時定数の設定が変更されることにより、劣化シミュレーションの精度低下を抑制することができる。

・例えば図１の劣化シミュレータ３０では、入力操作部４１における模擬劣化モードの設定信号、対称／非対称の切替信号、ボリューム調整信号をマイコン３１にそれぞれ入力する構成としたが、これを変更する。例えば、入力操作部４１における模擬劣化モードの設定信号、対称／非対称の切替信号、ボリューム調整信号を、むだ時間設定回路部３５、時定数設定回路部３６、ゲイン設定回路部３７、及びオフセット設定回路部３８にそれぞれ直接入力する構成としてもよい。

・例えば図１の劣化シミュレータ３０では、入力操作部４１における作業者の入力操作により、模擬劣化モードの設定、対称／非対称の切替、ボリューム調整をそれぞれ実行する構成としたが、これを変更し、所定のシミュレーションプログラムにより劣化シミュレーションを実行する構成としてもよい。例えば、劣化シミュレータ３０内のマイコン３２により劣化シミュレーション処理を実行し、複数の劣化パターンを順次実行させる。この場合、むだ時間劣化、時定数劣化、ゲイン劣化、オフセット劣化について、組み合わせパターンや設定値を変えながら、所定順序で劣化シミュレーションを順次実行する。

・上記第２の実施形態では、センサ素子２０とヒータ２８との異常シミュレーションとして、模擬断線状態、模擬バッテリ短絡状態、及び模擬グランド短絡状態を例示して説明したが、センサ素子２０とヒータ２８とのいずれか一方のみの異常シミュレーションを実行する構成でもよい。また、模擬断線状態、模擬バッテリ短絡状態、及び模擬グランド短絡状態のうちいずれか１つ又は２つを実行する構成であってもよい。

・上記実施の形態では、センサ素子（Ａ／Ｆセンサ）として図３の素子構造を有するものを説明したが、他の素子構造を有するセンサ素子に本発明を適用することも可能である。例えば、１セルタイプのセンサ素子に代えて、ポンプセル及び起電力セルを有する２セルタイプのセンサ素子を用いる。換言すれば、１層の固体電解質を有する構成に代えて、２層の固体電解質を有する構成や、３層の固体電解質を有する構成とする。また、積層型構造のセンサ素子に代えて、コップ型構造のセンサ素子に本発明を適用したりすることも可能である。

以下、２セル構造のセンサ素子について２つの構成例を図９（ａ），（ｂ）により説明する。

図９（ａ）に示すセンサ素子１００では、２層の固体電解質層１０１，１０２を有しており、一方の固体電解質層１０１には一対の電極１０３，１０４が対向配置され、他方の固体電解質層１０２には一対の電極１０５，１０６が対向配置されている。なお、電極１０３〜１０５は図の左右対象に２カ所に見えるが、それらは紙面の前後何れかの部位で連結された同一部材である。本センサ素子１００では、固体電解質層１０１及び電極１０３，１０４によりポンプセル１１１が構成され、固体電解質層１０２及び電極１０５，１０６により酸素検知セル１１２が構成されている。センサ素子１００が積層構造を有することは、前述のセンサ素子２０と同じである。図９（ａ）において、符号１０７はガス導入孔、符号１０８は多孔質拡散層、符号１０９は大気ダクト、符号１１０はヒータである。

酸素検知セル１１２の電極１０６の電位は比較器１１５の負側入力端子に入力され、同比較器１１５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１１１の電極１０３と比較器１１５の出力との間には電流計測抵抗１１６が接続されており、その電流計測抵抗１１６の両端子のＡ点及びＢ点がセンサ出力として取り出されるようになっている。

上記構造のセンサ素子１００において、酸素検知セル１１２は、排ガスがストイキに対してリーンかリッチかに応じて２値（０Ｖ又は０．９Ｖ）の起電力出力を発生する。例えばリーンである場合、酸素検知セル１１２の起電力出力が小さくなり、比較器１１５の出力（図のＢ点電圧）が上昇する。故に、電流計測抵抗１１６にはＢ→Ａの向きに電流が流れる。また逆に、リッチである場合、酸素検知セル１１２の起電力出力が大きくなり、比較器１１５の出力（図のＢ点電圧）が低下する。故に、電流計測抵抗１１６にはＡ→Ｂの向きに電流が流れる。なお、酸素検知セル１１２は、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

また、図９（ｂ）に示すセンサ素子１２０では、３層の固体電解質層１２１，１２２，１２３を有し、固体電解質層１２１には一対の電極１２４，１２５が対向配置され、固体電解質層１２２には一対の電極１２６，１２７が対向配置されている。本センサ素子１２０では、固体電解質層１２１及び電極１２４，１２５によりポンプセル１３１が構成され、固体電解質層１２２及び電極１２６，１２７により酸素検知セル１３２が構成されている。また、固体電解質層１２３は、酸素基準室１２８を確保するための壁材を構成している。センサ素子１２０が積層構造を有することは、前述のセンサ素子２０等と同じである。図９（ｂ）において、符号１２９は多孔質拡散層、符号１３０はガス検出室である。なお、酸素検知セル１３２は、図９（ａ）の酸素検知セル１１２と同様、一般に起電力セル、酸素濃度検出セルとも称される。

酸素検知セル１３２の電極１２７の電位は比較器１３５の負側入力端子に入力され、同比較器１３５の正側入力端子には比較電圧Ｖｒｅｆが入力される。ポンプセル１３１の電極１２４と比較器１３５の出力との間には電流計測抵抗１３６が接続されており、その電流計測抵抗１３６の両端子のＡ点及びＢ点がセンサ出力として取り出されるようになっている。この場合、リーン時にはＢ→Ａの向きに電流計測抵抗１３６に電流が流れ、逆にリッチ時にはＡ→Ｂの向きに電流計測抵抗１３６に電流が流れる。

上記のような２セル構造、３セル構造のセンサ素子１００，１２０では酸素検知セル（起電力セル）を有しており、かかる構成では、酸素検知セルの出力特性として、図８で説明したようにリッチ側とリーン側とで個別にゲイン劣化が生じることがある。したがって、これに起因して、センサ出力としてもリッチ側とリーン側とで個別にゲイン劣化が生じることがある。この場合、図１０（ａ），（ｂ）に実線で示す基本特性Ｘ１に対して、リーン側でのみゲイン劣化が生じたり（Ｘ１０参照）、リッチ側でのみゲイン劣化が生じたりする（Ｘ１１参照）。

こうしてリッチ側及びリーン側で個別にゲイン劣化が生じることが想定されるが、ゲイン擬似劣化について対称／非対称の切り替えを可能とする（すなわち、リーンガスの場合とリッチガスの場合とでゲインを個別に可変設定可能とする）ことにより、ゲイン劣化についてより好適なシミュレーションを実行できる。なお、オフセットについても、リーンガスの場合とリッチガスの場合とで個別に可変設定可能としてもよい。

・酸素濃度を検出対象とするＡ／ＦセンサやＯ2センサ以外に、他のガス濃度成分を検出対象とするガスセンサにも本発明が適用できる。例えば、複合型のガスセンサは、固体電解質層にて形成された複数のセルを有し、そのうち第１セル（ポンプセル）では被検出ガス中の酸素を排出又はくみ出すとともに酸素濃度を検出し、第２セル（センサセル）では酸素排出後のガスから特定成分のガス濃度を検出する。このガスセンサは、例えば排ガス中のＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサとして具体化されるものであり、このＮＯｘセンサを対象とする劣化シミュレータとしても具体化できる。また、上記第１セル、第２セルに加え、酸素排出後の残留酸素濃度を検出するための第３セル（モニタセル、若しくは第２ポンプセル）等の複数のセルを有するガスセンサであってもよい。

・ガス濃度成分としてＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出可能とするガスセンサにも適用できる。この場合、ポンプセルにて被検出ガス中の余剰酸素を排出し、センサセルにて余剰酸素排出後のガスからＨＣやＣＯを分解してＨＣ濃度やＣＯ濃度を検出する。

・エンジンの吸気通路に設けられるガスセンサや、ガソリンエンジン以外にディーゼルエンジンなど、他の形式のエンジンに用いられるガスセンサを対象とする劣化シミュレータとしても具体化できる。そのガスセンサは、排ガス以外のガスを検出対象としたり、自動車以外の用途で用いられるものであってもよい。

発明の実施の形態における劣化シミュレーションシステムの概略を示す構成図。 入力操作部の概略構成を示す図。 （ａ）はＡ／Ｆセンサの全体を示す外観図、（ｂ）は同センサを構成するセンサ素子の内部構成を示す断面図。 劣化シミュレーションの実行時におけるセンサ出力の推移を示すタイムチャート。 Ａ／Ｆと素子電流との関係を示すセンサ特性図。 他の実施形態における劣化シミュレーションシステムの概略を示す構成図。 Ｏ2センサ用の劣化シミュレーションシステムを示す構成図。 Ｏ2センサについてゲイン劣化した状態の出力特性を示す図。 別のガスセンサの構成を示す断面図。 ２セル構造のガスセンサについてゲイン劣化した状態の出力特性を示す図。

符号の説明

１０…Ａ／Ｆセンサ（ガスセンサ）、１１…先端側カバー（素子カバー）、１１ａ…小孔（通気孔）、２０…センサ素子、２１…固体電解質層、２５，２６…電極、３０…劣化シミュレータ、３２…マイコン（シミュレーション実行手段）、３５…むだ時間設定回路部（むだ時間遅れ設定手段）、３６…時定数設定回路部（時定数遅れ設定手段）、３７…ゲイン設定回路部（ゲイン設定手段）、３８…オフセット設定回路部（オフセット設定手段）、４１…入力操作部（切替手段、遅れ時間調整手段）、５０…ＥＣＵ、６１〜６４…スイッチ回路、７０…劣化シミュレータ、７１…マイコン、７３…むだ時間設定回路部、７４…時定数設定回路部、７５…ゲイン設定回路部、７６…オフセット設定回路部、７８…入力操作部、８１…Ｏ2センサ（ガスセンサ）、１００，１２０…センサ素子、ＥＰ…排気管、ＳＬ１，ＳＬ２…信号線、ＳＬ３…ヒータ制御線。

Claims (12)

1. 固体電解質層及びそれを挟む一対の電極よりなるセンサ素子と、そのセンサ素子を囲みかつ周囲ガスをセンサ素子に導く通気孔が形成されてなる素子カバーとを有し被検出ガス中の特定成分のガス濃度に応じてセンサ出力を生じさせるガスセンサについて劣化シミュレーションを実行する劣化シミュレータであり、
   濃度変化時のセンサ出力に対して時定数遅れを可変設定する時定数遅れ設定手段と、
   同じく濃度変化時のセンサ出力に対してむだ時間遅れを可変設定するむだ時間遅れ設定手段と、
   前記時定数遅れ設定手段及び前記むだ時間遅れ設定手段により時定数遅れとむだ時間遅れとのいずれか一方又は両方が可変設定された状態で劣化シミュレーションを実行するシミュレーション実行手段と、
   を備えることを特徴とするガスセンサの劣化シミュレータ。
2. 前記時定数遅れ設定手段により可変設定される時定数遅れと、前記むだ時間遅れ設定手段により可変設定されるむだ時間遅れとをそれぞれ、前記ガス濃度が濃化変化する場合と薄化変化する場合とで個別に設定可能とした請求項１に記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
3. 前記ガス濃度の濃化変化時と薄化変化時とでその変化態様を対称とするか非対称とするかを切り替える切替手段を備え、
   変化態様を対称とする場合、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくともいずれかを、濃化変化時と薄化変化時とで共通の遅れ時間調整手段を用いて調整する一方、
   変化態様を非対称とする場合、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくともいずれかを、濃化変化時と薄化変化時とで個別の遅れ時間調整手段を用いて調整する請求項１又は２に記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
4. 前記センサ出力のゲインを可変設定するゲイン設定手段と、
   前記センサ出力のオフセットを可変設定するオフセット設定手段とをさらに備え、
   前記シミュレーション実行手段は、前記時定数遅れ設定手段による時定数遅れの設定、前記むだ時間遅れ設定手段によるむだ時間遅れの設定、前記ゲイン設定手段によるゲイン設定、及び前記オフセット設定手段によるオフセット設定のうち少なくとも１つの設定が行われた状態で劣化シミュレーションを実行する請求項１乃至３のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
5. 前記センサ出力のゲインを可変設定するゲイン設定手段と、
   前記センサ出力のオフセットを可変設定するオフセット設定手段とをさらに備え、
   前記シミュレーション実行手段は、前記時定数遅れと前記むだ時間遅れとの少なくとも一方の設定に加え、前記ゲイン設定手段によるゲイン設定と前記オフセット設定手段によるオフセット設定との少なくとも一方がなされた状態で劣化シミュレーションを実行する請求項１乃至３のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
6. 前記センサ素子は、酸素濃度に応じた起電力信号を出力する起電力セルを有するものであり、
   前記ゲイン設定手段により可変設定されるゲインと、前記オフセット設定手段により可変設定されるオフセットとのうち少なくとも１つを、リッチガスである場合とリーンガスである場合とで個別に設定可能とした請求項４又は５に記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
7. 前記時定数遅れ設定手段により設定可能な時定数遅れの最大値、及び前記むだ時間遅れ設定手段により設定可能なむだ時間遅れの最大値の少なくとも一方を可変に設定できる構成とする請求項１乃至６のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
8. 前記センサ素子及び同センサ素子に通じる電気経路の断線や短絡に関する異常のシミュレーションを実行する手段をさらに備える請求項１乃至７のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
9. 前記センサ素子に通じる電気経路の途中に、同電気経路を、開放状態、電源短絡状態、グランド短絡状態、正負両端子間の短絡状態の少なくともいずれかにすることが可能な素子異常切替手段を備える請求項８に記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
10. 前記ガスセンサは、前記センサ素子を活性温度に加熱するヒータを備えており、
    前記ヒータ及び同ヒータに通じる電気経路の断線や短絡に関する異常のシミュレーションを実行する手段をさらに備える請求項１乃至９のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
11. 前記ヒータに通じる電気経路の途中に、同電気経路を、開放状態、電源短絡状態、グランド短絡状態の少なくともいずれかにすることが可能なヒータ異常切替手段を備える請求項１０に記載のガスセンサの劣化シミュレータ。
12. エンジンの吸気通路又は排気通路に設けられるガスセンサに適用され、前記ガスセンサが設けられた通路内のガス濃度が随時変更されその状態で劣化シミュレーションを実行する劣化シミュレータであり、
    前記吸気通路又は排気通路を流れるガスの流量又は流速に基づいて前記時定数遅れ及び前記むだ時間遅れの少なくともいずれかを修正する請求項１乃至１１のいずれか１つに記載のガスセンサの劣化シミュレータ。

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