JP5179523B2 - 酸素センサの劣化信号生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じた検出信号を出力する酸素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酸素センサの劣化信号生成装置に関する。

従来、自動車のエンジンなどの内燃機関の排気通路に取り付けられ、排気ガス中の酸素濃度に基づき、排気ガスの空燃比がリッチ側にあるかリーン側にあるかを検出する酸素センサが知られている。酸素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ＥＣＵ（電子制御ユニット）に送信され、ＥＣＵでは、受信した検出信号に基づき、エンジンにおける燃料の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。

このような酸素センサは、排気通路内で排気ガスに晒され、長期間の使用に伴い経時劣化を生ずる虞があるため、ＥＣＵには、酸素センサの劣化を検知するプログラムや装置が組み込まれている。この劣化検知のためのプログラム等の動作を確認する試験を実車において行うにあたり、酸素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）。特許文献１の劣化信号生成装置は、例えば試験対象車に取り付けた正常な酸素センサ（基準センサ）とＥＣＵとの間に介在して、基準センサから入力される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。ＥＣＵに接続される酸素センサの基準電位は、接続先のＥＣＵの基準電位に応じたものとなるので、酸素センサから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。ゆえに、上記の試験を精度よく行うには、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、ＥＣＵは、通常、自動車のバッテリから電力の供給を受けるが、自動車において、バッテリとＥＣＵとの配置関係は固定されており、電力供給ライン上における配線抵抗が大きくなりやすい。これに対し、劣化信号生成装置は配置位置を比較的自由に取り回すことができ、バッテリあるいは外部電源から電力の供給を受けても、その電力供給ライン上における配線抵抗は、上記のＥＣＵの場合と比べ、比較的小さい。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、こうした配線抵抗等の影響により互いの基準電位にずれを生ずる場合があるため、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。

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、外部装置とグランドの共通化を図った上で、動作環境に依存することなく精度の高い検出信号を取得して、劣化信号を生成することができる酸素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。

本発明の第１態様によれば、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じ、特定空燃比を境にして信号値が急変する検出信号を出力する酸素センサが劣化したときの前記検出信号の信号値を擬似的に生成し、劣化信号として外部装置に出力するとともに、前記外部装置とは異なる電源から電力の供給を受ける酸素センサの劣化信号生成装置であって、前記外部装置に電力を供給する第１電源の接地線と、自身が電力の供給を受ける第２電源の接地線とを電気的に接続する接続手段と、基準となる前記酸素センサである基準センサの基準電位側の第１出力線と酸素濃度に応じて電位の大きさが変動するセンサ電位側の第２出力線とのそれぞれに接続され、前記第１出力線の第１電位と前記第２出力線の第２電位とを取得する第１取得手段と、前記第１電位と前記第２電位との第１差分値を求める演算手段と、前記第１差分値に対し、所望する劣化状態に応じた演算を行い、第２差分値に加工する加工手段と、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第１出力線が接続される、前記外部装置の基準電位側の第１入力線から、前記第１入力線の第３電位を取得する第２取得手段と、前記第３電位に前記第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする前記劣化信号を生成し、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第２出力線が接続される、前記外部装置のセンサ電位側の第２入力線に出力する出力手段と、を備えた酸素センサの劣化信号生成装置が提供される。

第１態様において、外部装置と劣化信号生成装置とを異なる電源に接続しても、第１電源の接地線と第２電源の接地線とを電気的に接続することで、外部装置の基準電位と劣化信号生成装置の基準電位とをほぼ同じ電位とすることができる。これにより、基準センサ（酸素センサ）を外部装置に接続した場合と、劣化信号生成装置に接続した場合とにおいて、基準センサの電位基準となる第１電位を、ほぼ同一とすることができ、劣化信号生成装置が取得する検出信号の信号値を、本来、外部装置が取得する検出信号の信号値と同等のものとすることができる。また、基準センサの第１電位および第２電位を取得して第１差分値を求め、この第１差分値に対して加工を行うので、基準電位を基準にした加工ではないため、劣化信号生成装置の基準電位に変動が生じた場合でも、第１差分値に影響がなく、精度の高い加工を行うことができる。そして、外部装置から取得する第３電位に、加工によって得られた第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする劣化信号を生成することで、劣化信号は、劣化信号生成装置の基準電位に依存せず、精度が高い。さらに、外部装置の基準電位が、第１電源に接続された負荷に起因したノイズやオフセットの影響を受けて変動しても、劣化信号の信号値の基準となる第３電位も同様に変動を示すこととなるので、第３電位と第４電位との差分、すなわち第２差分値には影響することがなく、精度が高い。

本発明の第２態様によれば、内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じ、特定空燃比を境にして信号値が急変する検出信号を出力する酸素センサが劣化したときの前記検出信号の信号値を擬似的に生成し、劣化信号として外部装置に出力するとともに、前記外部装置と同一の電源から電力の供給を受ける酸素センサの劣化信号生成装置であって、基準となる前記酸素センサである基準センサの基準電位側の第１出力線と酸素濃度に応じて電位の大きさが変動するセンサ電位側の第２出力線とのそれぞれに接続され、前記第１出力線の第１電位と前記第２出力線の第２電位とを取得する第１取得手段と、前記第１電位と前記第２電位との第１差分値を求める演算手段と、前記第１差分値に対し、所望する劣化状態に応じた演算を行い、第２差分値に加工する加工手段と、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第１出力線が接続される、前記外部装置の基準電位側の第１入力線から、前記第１入力線の第３電位を取得する第２取得手段と、前記第３電位に前記第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする前記劣化信号を生成し、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第２出力線が接続される、前記外部装置のセンサ電位側の第２入力線に出力する出力手段と、を備えた酸素センサの劣化信号生成装置が提供される。

第２態様において、外部装置と劣化信号生成装置とを同一の電源に接続することで、外部装置の基準電位と劣化信号生成装置の基準電位とをほぼ同じ電位とすることができる。これにより、基準センサ（酸素センサ）を外部装置に接続した場合と、劣化信号生成装置に接続した場合とにおいて、基準センサの電位基準となる第１電位を、ほぼ同一とすることができ、劣化信号生成装置が取得する検出信号の信号値を、本来、外部装置が取得する検出信号の信号値と同等のものとすることができる。また、基準センサの第１電位および第２電位を取得して第１差分値を求め、この第１差分値に対して加工を行うので、基準電位を基準にした加工ではないため、劣化信号生成装置の基準電位に変動が生じた場合でも、第１差分値に影響がなく、精度の高い加工を行うことができる。そして、外部装置から取得する第３電位に、加工によって得られた第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする劣化信号を生成することで、劣化信号は、劣化信号生成装置の基準電位に依存せず、精度が高い。さらに、外部装置の基準電位が、第１電源に接続された負荷に起因したノイズやオフセットの影響を受けて変動しても、劣化信号の信号値の基準となる第３電位も同様に変動を示すこととなるので、第３電位と第４電位との差分、すなわち第２差分値には影響することがなく、精度が高い。

第１態様または第２態様において、前記加工手段は、本発明の劣化信号生成装置を利用する利用者が所望する（任意に設定する）酸素センサの劣化状態（劣化モード）に応じて、前記検出信号の信号値のゲインを変化させるゲイン演算と、前記検出信号の信号値を上下させるオフセット演算と、酸素濃度変化に対応して前記検出信号が変化し始める時間を遅延させる時間特性演算と、酸素濃度変化に対応する前記検出信号の変化速度（時定数遅れ）を変化させる応答特性演算と、の少なくとも一つの演算を行い、前記第１差分値を前記第２差分値に加工してもよい。ゲイン演算、オフセット演算、時間特性演算、応答特性演算を行うことで、酸素センサの様々な劣化状態を再現することができ、各種試験や開発を、より確実に、より精度よく、より円滑に行うことができる。また、これらのゲイン演算等の各種演算は、空燃比が特定空燃比（例えば、理論空燃比）を境にしてリーン側からリッチ側に変化する場合と、リッチ側からリーン側に変化する場合とで、異なる挙動を示す劣化信号を個別に生成するようにしてもよい。

第１の実施の形態の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。 出力回路４０の概略的な電気回路の構成を示す図である。 加工プログラムのフローチャートである。 ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の概要について説明するための図である。 第２の実施の形態の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。

［第１の実施の形態］以下、本発明を具体化した酸素センサの劣化信号生成装置の第１の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。本発明の対象とする酸素センサとしては、排気ガス中の酸素濃度に応じて変化すると共に特定空燃比（本実施の形態では、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、その一例とする。センサシミュレータ１には、基準センサ２として、正常で（劣化しておらず）、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接続する。

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。この酸素センサ（センサ素子）は、固体電解質体で２つの雰囲気（一方の雰囲気が排気ガスで、他方の雰囲気が基準ガス雰囲気）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に伴って起電力（検出信号）が生ずるのを利用して、酸素濃度の検出を行う。

検出信号の信号値は、多孔質電極の一方の電極（ＯＺ（−）電極）の電位を基準に、他方の電極（ＯＺ（＋）電極）との電位差で示され、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、検出信号の信号値（電位差）は、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、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ＥＣＵ３）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のＯＺ（−）電極とＯＺ（＋）電極と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。センサシミュレータ１は、基準センサ２のコネクタに接続されるレセプタクルと、基準センサ２の代わりにＥＣＵ３に接続するコネクタを有する。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、入力された検出信号に対し、マイクロコンピュータ１０において後述する加工プログラムの実行によって検出信号の信号値を加工し、さらに後述する出力回路４０を介して劣化信号を生成し、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、後述する加工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。

マイクロコンピュータ１０には、Ａ／Ｄコンバータ３０を介し、入力インターフェイス２０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から入力される検出信号は、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、センサ素子のＯＺ（−）電極およびＯＺ（＋）電極の電位を取り出すためのＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートをコネクタに有する。基準センサ２のＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートは、それぞれ、センサシミュレータ１の入力インターフェイス２０のＩＮ２ポートおよびＩＮ１ポートに接続されている。なお、入力インターフェイス２０が、本発明の「第１取得手段」に相当する。また、ＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートが、本発明の「第１出力線」および「第２出力線」に相当する。

また、入力インターフェイス２０はＣＯＮポートを有し、ＣＯＮポートは、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａに接続されている。入力インターフェイス２０は、ＣＯＮポートを介して接続された基準電位ＧＮＤ＿Ａの電位を基準に、基準センサ２のＯＺ（−）ポートの電位と、ＯＺ（＋）ポートの電位とを取得し、それぞれ、Ａ／Ｄコンバータ３０に出力する。Ａ／Ｄコンバータ３０は、ＯＺ（−）ポートの電位と、ＯＺ（＋）ポートの電位とをそれぞれＡ／Ｄ変換し、マイクロコンピュータ１０に入力する。

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において加工された検出信号の信号値を、アナログ処理を行う電気回路からなる出力回路４０に出力するため、Ｄ／Ａ変換が行われる。

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る。出力回路４０の具体的な構成例を図２に示す。図２に示すように、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。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、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の出力端子にも接続されている。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、さらに抵抗Ｒ４を介し、計測アンプ４１の入力端子４４にも接続されている。なお、計測アンプ４１が、本発明における「出力手段」に相当する。

そして、計測アンプ４１の各端子は、それぞれ出力回路４０の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）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、オペアンプＯＰ４の出力端子に接続されており、さらに、抵抗Ｒ８を介し、オペアンプＯＰ４の反転入力端子にも接続されている。オペアンプＯＰ４の非反転入力端子は、ＲＥＦポートに接続されている。図１に示すように、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ＧＮＤ＿Ａに接続されており、ＩＮポートは、上記のように、Ｄ／Ａコンバータ５０を介してマイクロコンピュータ１０に接続されている。出力回路４０のＲＥＦポートおよびＯＵＴポートは、それぞれＥＣＵ３の入力インターフェイス７のＩＮ１ポートおよびＩＮ２ポートに接続されている。なお、入力インターフェイス７のＩＮ１ポートおよびＩＮ２ポートが、本発明の「第１入力線」および「第２入力線」に相当する。

後述するが、マイクロコンピュータ１０において生成される劣化信号の出力電圧値は、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａを基準とするものである。図２に示す、出力回路４０では、オペアンプＯＰ２，ＯＰ３により、ＩＮポートに入力される劣化信号の出力電圧値と、ＣＯＭポートに入力される基準電位ＧＮＤ＿Ａとの差分が、オペアンプＯＰ１に入力される。さらにオペアンプＯＰ１には、ＲＥＦポートから、ＥＣＵ３の入力インターフェイス７のＩＮ１ポートの電位が入力されている。オペアンプＯＰ１は、基準電位ＧＮＤ＿Ｂに、上記の劣化信号の出力電圧値と基準電位ＧＮＤ＿Ａとの電位差を重畳し、劣化信号として、ＯＵＴポートから入力インターフェイス７のＩＮ２ポートに出力する。すなわち、劣化信号は、出力回路４０によって、基準電位ＧＮＤ＿Ｂを基準とする信号として、ＥＣＵ３に入力される。なお、オペアンプＯＰ４が、本発明における「第２取得手段」に相当する。

次に、図１に示すように、マイクロコンピュータ１０には、さらに、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、後述する加工プログラムに用いられる設定値等（利得率Ｇａｉｎ、電圧値Ｏｆｆｓｅｔ、無駄時間Ｔの設定値など）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。なお、入力された設定値等はＥＥＰＲＯＭ１２に記憶され、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。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おり、ＢＡＴ端子に、外部電源５の出力側のライン（点線で示す）が接続され、外部電源５から電力の供給を受ける。外部電源５の接地側のラインは、Ｓ＿ＧＮＤ端子を介し、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａに接続されている。

次に、ＥＣＵ３は、センサシミュレータ１の入力インターフェイス２０と同様の入力インターフェイス７を有する。入力インターフェイス７は、ＩＮ１ポート、ＩＮ２ポート、ＣＯＮポートを有し、上記したように、ＩＮ１ポートとＩＮ２ポートとには、それぞれ出力回路４０のＲＥＦポートおよびＯＵＴポートが接続されている。入力インターフェイス７のＣＯＮポートは、ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿Ｂに接続されている。さらに、基準電位ＧＮＤ＿Ｂは、ＥＣＵ３のＥ＿ＧＮＤ端子を介し、自動車のバッテリ４の接地側のラインに接続されている。そしてＥＣＵ３のＢＡＴ端子には、バッテリ４の出力側のライン（点線で示す）が接続されており、バッテリ４から電力の供給を受ける。なお、ＥＣＵ３が、本発明の「外部装置」に相当し、バッテリ４が、本発明の「第１電源」に相当する。

バッテリ４は、ＥＣＵ３の他にも様々な機器（負荷）に電力を供給している。ＥＣＵ３は、こうした負荷の稼動に伴う影響を受け、ノイズや電位のオフセットを生ずる場合がある。また、ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿Ｂに接続された、バッテリ４の接地側のラインは、接続点Ｐ１において、接続線６で、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａに接続された、外部電源５の接地側のライン上の接続点Ｐ２に接続されている。すなわち、ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿Ｂと、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａとは、グランドの共通化が図られている。なお、接続線６が、本発明の「接続手段」に相当する。

本実施の形態のセンサシミュレータ１では、入力インターフェイス２０のＩＮ１ポートおよびＩＮ２ポートの電位が、ＣＯＮポートの電位（つまり基準電位ＧＮＤ＿Ａ）とは異なる電位となる回路構成を採っている。これにより、入力インターフェイス２０では、基準電位ＧＮＤ＿Ａを基準に、基準センサ２のＯＺ（−）ポートの電位およびＯＺ（＋）ポートの電位を得ることができる。また上記したように、ＥＣＵ３の入力インターフェイス７は入力インターフェイス２０と同様のものであり、入力インターフェイス７のＩＮ１ポートおよびＩＮ２ポートの電位が、ＣＯＮポートの電位（つまり基準電位ＧＮＤ＿Ｂ）と異なる電位となる回路構成を採っている。そして、ＥＣＵ３とセンサシミュレータ１とのグランドの共通化によって、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａと、ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿Ｂとは、例えば配線抵抗等の違いにより若干の差を生ずる場合があるものの、ほぼ同じ電位となる。したがって、ＥＣＵ３の入力インターフェイス７に基準センサ２を接続した場合と、センサシミュレータ１の入力インターフェイス２０に基準センサ２を接続した場合とにおいて、基準センサ２の電位基準となるＯＺ（−）ポートの電位を、ほぼ同一とすることができ、センサシミュレータ１が取得する検出信号の信号値を、本来、ＥＣＵ３が取得する検出信号の信号値と同等のものとすることができる。

また、本実施の形態では、入力インターフェイス２０において基準センサ２のＯＺ（−）ポートの電位およびＯＺ（＋）ポートの電位を得て、Ａ／Ｄコンバータ３０を介して、それぞれの電位がマイクロコンピュータ１０に入力される。マイクロコンピュータ１０は、後述する加工プログラムの実行に従い、ＯＺ（＋）ポートの電位に対する加工ではなく、ＯＺ（−）ポートとＯＺ（＋）ポートとの電位差に対して加工を行う。ゆえに、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａに変動が生じた場合でも、ＯＺ（−）ポートとＯＺ（＋）ポートとの電位差には影響を生じないため、検出信号の信号値に対して精度の高い加工を行うことができる。

そして出力回路４０は、ＲＥＦポートからＥＣＵ３の入力インターフェイス７のＩＮ１ポートの電位を取得し、この電位に、加工後のＯＺ（−）ポートとＯＺ（＋）ポートとの電位差を重畳し、ＯＵＴポートから、入力インターフェイス７のＩＮ２ポートに出力する。上記したようにグランドが共通化されているため、基準電位ＧＮＤ＿Ｂを基準とする入力インターフェイス７のＩＮ１ポートの電位は、基準電位ＧＮＤ＿Ａを基準としても特定することができる。よって、基準電位ＧＮＤ＿Ａと基準電位ＧＮＤ＿Ｂとの間に配線抵抗等の違いに起因したずれが生じても、ＥＣＵ３が取得する劣化信号の信号値は、ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿ＢをもととするＩＮ１ポートの電位を基準とするものであるため、基準電位ＧＮＤ＿Ａに依存しないため、ずれの影響を受けず、精度が高い。

また、上記したようにＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿にノイズや電位のオフセットを生じた場合、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａを基準とすれば、基準電位ＧＮＤ＿Ｂは、ノイズやオフセットの影響を受けて変動する。しかし、ＥＣＵ３は基準電位ＧＮＤ＿Ｂを基準に動作するものである。ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿ＢをもとにするＩＮ１ポートの電位がノイズやオフセットの影響を受けて変動しても、ＩＮ１ポートの電位に重畳（加算）してＩＮ２ポートに入力される劣化信号の信号値も、同様の変動を示すこととなり、ＩＮ２ポートとＩＮ１ポートの電位差には影響することがないので、精度が高い。

次に、劣化信号の生成過程について説明する。劣化信号は、基準センサ２の検出信号の信号値（ＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートの電位差）を、マイクロコンピュータ１０において、加工プログラムの実行によって加工し、出力回路４０で、ＥＣＵ３のＩＮ１ポートの電位に重畳して生成される。加工プログラムでは、検出信号の信号値に対し、ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理を施す。ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の具体的な処理方法については公知であり、以下では概略的な説明を行うものとする。ゲイン処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理の詳細については、例えば、特開２００７−３１５２１０号公報を参照されたい。また、オフセット処理の詳細については、例えば、特開２００８−２０３１５２号公報を参照されたい。なお、ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理が、それぞれ、本発明における「ゲイン演算」、「オフセット演算」、「応答特性演算」、「時間特性演算」に相当する。

検出信号の信号値に対する加工は、マイクロコンピュータ１０で実行される加工プログラムに従って、所定時間（例えば１ｍｓｅｃ）ごとに行われる。図３に示すように、マイクロコンピュータ１０のＣＰＵ１１は、Ａ／Ｄコンバータ３０を介して入力インターフェイス２０から入力される、基準センサ２のＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートの電圧（電圧値）を読み込み、差分値を算出する。算出した差分値は、変数Ｖｄｉｆとして、ＲＡＭ１３に記憶される（Ｓ１１）。なお、Ｓ１１で、基準センサ２のＯＺ（−）ポートおよびＯＺ（＋）ポートの電圧の差分値（第１差分値）を演算するＣＰＵ１１が、本発明の「演算手段」に相当する。

この変数Ｖｄｉｆに対し、あらかじめ設定された利得率Ｇａｉｎを掛け合わせ、演算結果を変数Ｖｄｉｆに上書きするゲイン処理（Ｖｄｉｆ←Ｖｄｉｆ×Ｇａｉｎ）が行われる（Ｓ１３）。ゲイン処理は、検出信号の信号値に利得率Ｇａｉｎを掛け、増幅あるいは減衰させる処理である。例えば、図４に例示するように、（Ａ）に示す、もとの（基準となる）検出信号に対してゲイン処理（ここでは減衰）を施せば、（Ｂ）に示すように、利得率Ｇａｉｎに応じて信号値が増加あるいは減少（ここでは減少）した検出信号に加工することができる。

次に、変数Ｖｄｉｆに対し、あらかじめ設定された電圧値Ｏｆｆｓｅｔを重畳し、演算結果を変数Ｖｄｉｆに上書きするオフセット処理（ＶＶｄｉｆ←Ｖｄｉｆ＋Ｏｆｆｓｅｔ）が行われる（Ｓ１５）。オフセット処理は、検出信号の信号値を所定の電圧値Ｏｆｆｓｅｔ分ずらす処理である。例えば、図４に例示するように、（Ａ）に示す、もとの（基準となる）検出信号に対してオフセット処理（ここでは正の電圧値Ｏｆｆｓｅｔを重畳）を施せば、（Ｃ）に示すように、信号値を上下にずらした（ここでは上側にずらした）検出信号に加工することができる。

次いで、変数Ｖｄｉｆに対し、例えば一次遅れの伝達関数を適用した演算を行ってなまし、演算結果を変数Ｖｄｉｆに上書きする応答遅れ処理（Ｖｄｉｆ←Ｖｄｉｆ×１／（１＋τｓ））が行われる（Ｓ１７）。応答遅れ処理は、検出信号の信号値の変化の度合いを緩慢化させて変動させる（なます）処理である。一次遅れの伝達関数Ｇ（ｓ）は、以下の式によって表される。
Ｇ（ｓ）＝ｋ／（１＋τｓ）、ただし、τ：時定数、ｋ：ゲイン（ここではｋ＝１）とする。
例えば、図４に例示するように、（Ａ）に示す、もとの（基準となる）検出信号に対して応答遅れ処理を施せば、（Ｄ）に示すように、もとの検出信号と比べ、信号値の変化が緩慢になり、もとの検出信号に遅れて追従する変化を表す検出信号に加工することができる。

さらに、変数Ｖｄｉｆに対し、無駄時間遅れ処理が行われる。無駄時間遅れ処理は、検出信号を、あらかじめ無駄時間として設定された時間Ｔ後に出力する処理である。例えば、図４に例示するように、（Ａ）に示す、もとの検出信号に対して無駄時間遅れ処理を施せば、（Ｅ）に示すように、もとの検出信号よりもタイミングが遅れた検出信号を生成することができる。

無駄時間遅れ処理では、上記のように、ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理が施された、現在の変数Ｖｄｉｆに、経過時間情報（初回の経過時間は０）を付加した上で（Ｓ１９）、ＲＡＭ１３に一旦保存する（Ｓ２１）。次に、保存されているすべての変数Ｖｄｉｆの経過時間を、それぞれ、単位時間分進める（Ｓ２３）。そして、経過時間情報として保持する経過時間が無駄時間Ｔに達した変数Ｖｄｉｆを、加工後の検出信号の信号値として、Ｄ／Ａコンバータ５０を介して出力回路４０に出力される（Ｓ２５）。一方で、今回取得されＳ２１でＲＡＭ１３に記憶された変数Ｖｄｉｆは、無駄時間Ｔが経過するまで、ＲＡＭ１３に保持されることとなる。

検出信号の信号値に対し、上記Ｓ１１〜Ｓ２５の各処理が行われた後、所定時間（例えば１ｍｓｅｃ）の経過を待って（Ｓ２７：ＮＯ）、Ｓ１１に戻ることで（Ｓ２７：ＹＥＳ）、新たに取得される検出信号の信号値に対しても、加工が施される。なお、Ｓ１３〜Ｓ２５の各処理を行って加工後の検出信号の信号値（第２差分値）を演算するＣＰＵ１１が、本発明の「加工手段」に相当する。

［第２の実施の形態］次に、酸素センサの劣化信号生成装置の第２の実施の形態について、図５を参照して説明する。第２の実施の形態は、センサシミュレータ１の電力の供給先を、ＥＣＵ３と同じバッテリ４としたものである。図５に示すように、バッテリ４の出力側のライン（点線で示す）を、センサシミュレータ１のＢＡＴ端子に接続し、同様に、バッテリ４の接地側のラインを、接続点Ｐ１から分岐して、Ｓ＿ＧＮＤ端子を介し、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａに接続している。基準センサ２、ＥＣＵ３、およびセンサシミュレータ１の構成は、第１の実施の形態と同様である。ＥＣＵ３の基準電位ＧＮＤ＿Ｂと、センサシミュレータ１の基準電位ＧＮＤ＿Ａとを、ともに、バッテリ４の接地側のラインに接続することで、グランドの共通化を行っている。このように、センサシミュレータ１の電力の供給をバッテリ４から行えば、ＥＣＵ３とのグランドの共通化を容易に行うことができる。センサシミュレータ１の動作についても、第１の実施の形態と同様である。

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、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、ＥＣＵ３の基準電位に、加工後の検出信号の信号値を重畳（加算）できる電気回路を有すればよい。

また、加工プログラムでは、ゲイン処理、オフセット処理、応答遅れ処理、無駄時間遅れ処理を順に行ったが、各処理はそれぞれ独立して実行することが可能であり、一部の処理を行わずともよく、少なくとも一つ以上の処理が実行されればよい。また、処理順についても任意に変更可能である。また、検出信号のゲインや応答遅れの度合い、無駄時間を変更する場合、ゲインを変更するための利得率Ｇａｉｎ、伝達関数Ｇ（ｓ）の時定数τ、無駄時間Ｔ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、本実施の形態では、加工プログラムを実行することでソフトウェア的に検出信号の信号値を加工したが、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、信号値を加工できるようにしてもよい。また、例えばＵＳＢやＲＳ２３２Ｃ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の検出信号や、生成した劣化信号を、ＵＳＢやＲＳ２３２Ｃ等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。また、このセンサシミュレータ１に接続される酸素センサ（基準センサ）２としては、理論空燃比を境にして出力が急変するものに限られず、固体電解質体に設けられる測定電極（排気ガスに晒される電極）上に適宜の触媒層を形成し、理論空燃比から所定の値だけリッチ側あるいはリーン側にシフトした空燃比を境にして出力が急変するものにも適用することができる。

１ センサシミュレータ
２ 基準センサ
３ ＥＣＵ
４ バッテリ
５ 外部電源
６ 接続線
１０ マイクロコンピュータ
１１ ＣＰＵ
２０ 入力インターフェイス
４１ 計測アンプ

Claims (3)

1. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じ、特定空燃比を境にして信号値が急変する検出信号を出力する酸素センサが劣化したときの前記検出信号の信号値を擬似的に生成し、劣化信号として外部装置に出力するとともに、前記外部装置とは異なる電源から電力の供給を受ける酸素センサの劣化信号生成装置であって、
   前記外部装置に電力を供給する第１電源の接地線と、自身が電力の供給を受ける第２電源の接地線とを電気的に接続する接続手段と、
   基準となる前記酸素センサである基準センサの基準電位側の第１出力線と酸素濃度に応じて電位の大きさが変動するセンサ電位側の第２出力線とのそれぞれに接続され、前記第１出力線の第１電位と前記第２出力線の第２電位とを取得する第１取得手段と、
   前記第１電位と前記第２電位との第１差分値を求める演算手段と、
   前記第１差分値に対し、所望する劣化状態に応じた演算を行い、第２差分値に加工する加工手段と、
   前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第１出力線が接続される、前記外部装置の基準電位側の第１入力線から、前記第１入力線の第３電位を取得する第２取得手段と、
   前記第３電位に前記第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする前記劣化信号を生成し、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第２出力線が接続される、前記外部装置のセンサ電位側の第２入力線に出力する出力手段と、
   を備えたことを特徴とする酸素センサの劣化信号生成装置。
2. 内燃機関の排気ガス中の酸素濃度に応じ、特定空燃比を境にして信号値が急変する検出信号を出力する酸素センサが劣化したときの前記検出信号の信号値を擬似的に生成し、劣化信号として外部装置に出力するとともに、前記外部装置と同一の電源から電力の供給を受ける酸素センサの劣化信号生成装置であって、
   基準となる前記酸素センサである基準センサの基準電位側の第１出力線と酸素濃度に応じて電位の大きさが変動するセンサ電位側の第２出力線とのそれぞれに接続され、前記第１出力線の第１電位と前記第２出力線の第２電位とを取得する第１取得手段と、
   前記第１電位と前記第２電位との第１差分値を求める演算手段と、
   前記第１差分値に対し、所望する劣化状態に応じた演算を行い、第２差分値に加工する加工手段と、
   前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第１出力線が接続される、前記外部装置の基準電位側の第１入力線から、前記第１入力線の第３電位を取得する第２取得手段と、
   前記第３電位に前記第２差分値を重畳した第４電位を信号値とする前記劣化信号を生成し、前記外部装置に前記酸素センサを接続した場合に前記第２出力線が接続される、前記外部装置のセンサ電位側の第２入力線に出力する出力手段と、
   を備えたことを特徴とする酸素センサの劣化信号生成装置。
3. 前記加工手段は、所望する劣化状態に応じて、
   前記検出信号の信号値のゲインを変化させるゲイン演算と、
   前記検出信号の信号値を上下させるオフセット演算と、
   前記測定対象ガス中の特定成分の濃度変化に対応して前記検出信号が変化し始める時間を遅延させる時間特性演算と、
   前記測定対象ガス中の特定成分の濃度変化に対応する前記検出信号の変化速度を変化させる応答特性演算と、
   の少なくとも一つの演算を行い、前記第１差分値を前記第２差分値に加工することを特徴とする請求項１または２に記載の酸素センサの劣化信号生成装置。

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