CN106415230A - 电荷放大器内置型燃烧压传感器 - Google Patents
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Abstract
提供在电荷放大器内置型的燃烧压检测传感器中抑制信号线的过热和燃烧压的检测精度劣化的技术。电荷放大器内置型燃烧压传感器(1)具备传感器主体(2)和电荷放大器(3)。传感器主体具有一端经由外壳而与底盘接地连接的压电元件(21)，检测发动机的燃烧室压力。电荷放大器至少具有将传感器主体的输出变换为电压信号的电压变换部(32)、以及生成向该电压变换部供给的基准电压的基准电压生成部(31)，从设于外部的信号处理部(5)接受供电而动作。基准电压生成部具备将恒流电路(311)和电阻(312)串联连接而得到的电压发生电路，该电压发生电路的一端与来自信号处理部的供电线连接且另一端与压电元件的接地侧端连接。
Description
关联申请的相互参照
本申请基于2014年1月22日提出的日本申请第2014－9458号，在此引用其记载的内容。
技术领域
本发明涉及将电荷放大器内置于外壳中的燃烧压(fuel pressure)传感器。
背景技术
以往，作为检测发动机的燃烧室的压力(燃烧压)的燃烧压传感器之一，有由压电元件构成的结构。在这种燃烧压传感器中，将其检测压力即压电元件的发生电荷用电荷放大器来检测(例如参照专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2009－115484号公报
发明内容
但是，电荷放大器通常与进行使用燃烧压检测信号的处理的车载计算机一体设置。在这种情况下，燃烧压传感器与车载计算机之间的配线需要采用耐热性的同轴线(coaxial line)等。但是，耐热性的同轴线价高，因此为了将其省略，可以考虑将电荷放大器内置于燃烧压传感器的外壳中。
另外，在压电元件使用水晶的情况下，在其构造上需要将压电元件的一端(接地侧端)与燃烧压传感器的外壳连接。燃烧压传感器的外壳因与发动机的外壳接触而与底盘接地(chassis ground)连接。即，电荷放大器的信号用的接地线需要与压电元件的接地侧端连接，因此必然会导致与底盘接地连接。
结果，内置有电荷放大器的燃烧压传感器，有在与车载计算机之间配线的电线(特别是接地线)发生断线的情况下无法检测出该情况的问题。这是因为，即使电线发生了断线，也经由底盘接地而相互连接。
另外，在发动机侧，连接有起动机(starter)等需要大功率的设备，当这些设备工作时，发动机侧的底盘接地的电位上升。由此，车载计算机的接地(ECU接地)与燃烧压传感器的接地(底盘接地)中产生电位差，在上述电线的接地线中流过大电流而还有可能发生过热的问题。
另外，为了解决该问题，在燃烧压传感器的内部，可以考虑在电荷放大器的接地(ECU接地)与压电元件的接地侧端(底盘接地)之间设置电容器。但是，该情况下，有在燃烧压传感器的检测信号中不再充分地反映低频成分的问题，以及在底盘接地的电位发生变化时检测精度劣化的问题。对此，可以考虑增大电容器的电容使低频成分通过，但该情况下存在与信号成分同频带(kHz级)的噪声成分经由底盘接地而重叠于ECU接地的问题。
本发明是鉴于这样的问题而做出的，目的在于提供一种在电荷放大器内置型的燃烧压检测传感器中抑制信号线的过热和燃烧压的检测精度劣化的技术。
根据本发明的一个方式，电荷放大器内置型燃烧压传感器具备传感器主体和电荷放大器。传感器主体具有一端经由外壳而与底盘接地连接的压电元件，检测发动机的燃烧室压力。电荷放大器至少具有电压变换部和基准电压生成部。电压变换部将传感器主体的输出变换为电压信号并输出。基准电压生成部生成向电压变换部供给的基准电压。另外，基准电压生成部具备将恒流电路和电阻串联连接而成的电压发生电路，该电压发生电路的一端与来自信号处理部的供电线连接，另一端与压电元件的接地侧端连接。
根据这样的结构，即使由于在发动机侧消耗大电流的装置动作等而底盘接地的电位发生了变化，电压发生电路也生成以底盘接地为基准的基准电压，因此在电压变换部中，能够将以底盘接地的电位为基准而生成的传感器主体的输出高精度地变换为电压信号。
此外，本发明除了前述的电荷放大器内置型燃烧压传感器之外，还能够以将该电荷放大器内置型燃烧压传感器作为构成要素的系统等多种方式实现。
附图说明
对于本发明的上述目的及其它目的、特征和优点，通过参照附图以及下述的详细记述而能够更加明确。
图1是表示第1实施方式的电荷放大器内置型燃烧压传感器的结构的电路图。
图2A是例示恒流电路的具体结构的说明图。
图2B是例示恒流电路的具体结构的说明图。
图2C是例示恒流电路的具体结构的说明图。
图3A是表示第1实施方式的电荷放大器内置型燃烧压传感器的噪声抑制效果的仿真结果的图表。
图3B是表示与图3A所示的第1实施方式对照而作为比较例的电荷放大器内置型燃烧压传感器的仿真结果的图表。
图4是表示第2实施方式的电荷放大器内置型燃烧压传感器的结构的电路图。
图5是表示第2实施方式的放大部的其他结构例的电路图。
具体实施方式
以下参照附图对适用本发明的实施方式进行说明。
[第1实施方式]
＜整体结构＞
图1所示的电荷放大器内置型燃烧压传感器(以下简称为“燃烧压传感器”)1，在发动机的燃烧室内安装使用，从对发动机进行控制的ECU5经由线束(wire harness)4接受供电，并且将以电压表示出燃烧室内的压力(燃烧压)的检测信号向ECU5输出。
线束4是将电源线LV、接地线LG、信号线LS这3条线集束而构成的。接地线LG也称为ECU接地，经由ECU5的外壳而与底盘接地连接。
燃烧压传感器1具备传感器主体2和电荷放大器3。
传感器主体2由将压力变换为电信号的压电元件(例如水晶)21构成，压电元件21的一端(以下称为“接地侧端”)经由燃烧压传感器1的外壳和发动机的外壳而与底盘接地连接。压电元件21的另一端与在燃烧压传感器1的外壳内一体设置的电荷放大器3连接。
电荷放大器3具备基准电压生成部31、电压变换部32、放大部33、接地分离用电容器34。
接地分离用电容器34连接在接地线LG(ECU接地)与压电元件21的接地侧端(燃烧压传感器1的外壳)之间。即，在燃烧压传感器1中，ECU接地经由接地分离用电容器34而与发动机附近的底盘接地连接。
基准电压生成部31具备流过规定的恒定电流的恒流电路311、将恒流电路流过的恒定电流变换为电压的电阻312、反相输入端子与输出端子被连接而构成电压跟随器(voltage follower)电路的运算放大器313。恒流电路311与电阻312串联连接而构成电压发生电路。恒流电路311和电阻312的共用连接端被连接到运算放大器313的非反相输入端子。电压发生电路的恒流电路311侧端被连接到电源线LV，电压发生电路的电阻312侧端被连接到压电元件21的接地侧端(燃烧压传感器1的外壳)、即接地分离用电容器34的底盘接地侧端。由此，基准电压生成部31能够与底盘接地的电位变动无关地生成以底盘接地为基准的恒定的基准电压VF1。该基准电压VF1经由电压跟随器电路而被供给到电压变换部32和放大部33。
另外，具体而言，作为恒流电路311，可以如图2A所示地采用恒流二极管(CRD)，也可以如图2B所示地采用结型场效应晶体管(JFET)。并且，从恒流电路311向电阻312可以构成为直接供给恒定电流，也可以如图2C所示地构成为经由电流镜(current mirror)电路供给。
电压变换部32具备运算放大器321、电容器322、323、电阻324。运算放大器321构成公知的如下积分电路，即：在非反相输入端子被施加基准电压生成部31的输出(基准电压VF1)，在反相输入端子被经由电容器322施加传感器主体2的输出，在反相输入端子与输出端子之间并联连接有电容器323、电阻324，将由压电元件21产生的电荷变换为电压(变换电压Vx)并输出。
放大部33具备运算放大器331、电阻332、可变电阻333。运算放大器331构成公知的如下非反相放大电路，即：从电压变换部32输出的变换电压Vx施加于非反相输入端子，从基准电压生成部31输出的基准电压VF1经由电阻332施加于反相输入端子，在反相输入端子与输出端子之间连接有可变电阻333，将电压变换部32的输出以适当的放大率放大，作为具有规定的灵敏度(电压/压力)的检测信号Vo进行输出。另外，放大部33构成为能够利用可变电阻333来调整灵敏度。
并且，运算放大器313、321、331均以如下方式构成：正极侧电源输入端与电源线LV连接，负极侧电源输入端与接地线LG连接，以ECU接地为基准进行动作。
＜效果＞
在这样构成的燃烧压传感器1中，ECU接地与底盘接地被接地分离用电容器34分离，因此，ECU5能够根据信号线LS与接地线LG的电位差即检测信号Vo的信号电平来进行接地线LG的断线检测。
在燃烧压传感器1中，向构成电压变换部32的运算放大器321的反相输入端子和非反相输入端子输入的信号由于以相同的接地(底盘接地)为基准生成，因此即使有发动机周边的底盘接地的电位变动，也能够抑制其对从电压变换部32输出的变换电压Vx造成影响，即，能够抑制从底盘接地进入的共模噪声。
这里，图3A、图3B表示通过仿真求出在向ECU接地施加噪声时从燃烧压传感器1输出的检测信号Vo的结果，图3A是本实施方式的燃烧压传感器1的情况，图3B是取代接地分离用电容器34而在图1中的虚线P包围的部分设置有电容器的情况，即，基准电压生成部31构成为不是以底盘接地而是以ECU接地为基准而生成基准电压的情况。可见，在本实施方式中充分地抑制了噪声。
[第2实施方式]
第2实施方式的基本结构与第1实施方式是同样的，因此对相同的结构省略说明而以不同点为中心进行说明。
＜结构＞
与第1实施方式的区别点如下：在前述第1实施方式中运算放大器321的负极侧电源端子与ECU接地连接，而根据本实施方式的燃烧压传感器1a，是与底盘接地连接，在第1实施方式中设有由反相放大电路构成的放大部33，而在本实施方式中取代放大部33而设有由差动放大电路构成的放大部35，并且追加了生成以ECU接地为基准的基准电压VF2并向放大部35供给的第2基准电压生成部36。
以下对于和第1实施方式相同的结构标记相同符号并省略说明，以上述不同点为中心进行说明。
如图4所示，第2基准电压生成部36，与基准电压生成部31同样地，具备：构成电压发生电路的恒流电路361、电阻362以及构成电压跟随器电路的运算放大器363。但是，电压发生电路的电阻362侧端不是与底盘接地而是与ECU接地连接。另外，基准电压VF2与基准电压VF1大小相同，两者区别在于，基准电压VF2是以ECU接地为基准生成的，基准电压VF1是以底盘接地为基准生成的。
放大部35具备运算放大器351、电阻352～355。在运算放大器351的非反相输入端子，经由电阻352施加从电压变换部32输出的变换电压Vx，并且经由电阻353施加有经由电阻353从第2基准电压生成部36输出的第2基准电压VF2。另外，在运算放大器351的反相输入端子，经由电阻332施加有从基准电压生成部31输出的基准电压VF1。进而，在运算放大器351的反相输入端子与输出端子之间连接有电阻355。即，放大部35构成对变换电压Vx与基准电压VF1的差分进行放大的公知的差动放大电路。
另外，由于运算放大器321的负极侧电源端子与底盘接地连接，因此从ECU接地来看，从电压变换部32输出的变换电压Vx成为作为噪声成分而重叠了底盘接地相对于ECU接地的电位变动量的电压。但是，从ECU接地来看，放大部35由于放大了与重叠有同样噪声成分的基准电压VF1的差分，因此作为其输出的检测信号Vo被抑制(抵消)了变换电压Vx和基准电压VF1双方所含的噪声成分。
＜效果＞
根据以上详述的第2实施方式的燃烧压传感器1a，除了前述第1实施方式的效果之外还能够获得以下的效果。
在燃烧压传感器1a中，运算放大器321的负极侧电源端子不是与ECU接地连接而是与底盘接地连接，确保了压电元件21所产生的信号向底盘接地返回的路径。由此，根据情况，能够省略将接地分离用电容器34的电容减小。
[其它实施方式]
以上对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不限于上述实施方式而能够采取多种方式。
(1)在上述第2实施方式中，作为放大部35，采用了以运算放大器351为中心构成的差动放大电路，但作为替代，也可以采用如图5所示那样连接的公知的仪用放大器(Instrumentation Amp.)作为放大部35a。仪用放大器由于同相信号除去比较高而能够更加有效地抑制从底盘接地进入的噪声。
(2)本发明的各构成要素是概念性的表示而不限于上述实施方式。例如可以将一个构成要素具有的功能分散到多个构成要素中，或者将多个构成要素具有的功能集合于一个构成要素。并且，也可以将上述实施方式的至少一部分置换为具有同样功能的公知结构。另外，也可以将上述实施方式的至少一部分对上述其它实施方式的结构进行附加、替换等。
Claims (5)
1.一种电荷放大器内置型燃烧压传感器，其特征在于，
具备：
传感器主体(2)，具有一端经由外壳而与底盘接地连接的压电元件(21)，检测发动机的燃烧室的压力；以及
电荷放大器(3)，至少具有将上述传感器主体的输出变换为电压信号的电压变换部(32)、以及生成向该电压变换部供给的基准电压的基准电压生成部(31)，接受来自设于外部的信号处理部(5)的供电而动作，
上述基准电压生成部，具备将恒流电路(311)和电阻(312)串联连接而成的电压发生电路，该电压发生电路的一端与来自信号处理部的供电线连接，另一端与上述压电元件的接地侧端连接。
2.根据权利要求1所述的电荷放大器内置型燃烧压传感器，其特征在于，
上述压电元件的接地侧端与在来自上述信号处理部的供电中使用的接地线经由接地分离用电容器(34)连接。
3.根据权利要求1或2所述的电荷放大器内置型燃烧压传感器，其特征在于，
上述电压变换部的接地与上述压电元件的接地侧端连接。
4.根据权利要求3所述的电荷放大器内置型燃烧压传感器，其特征在于，
上述电荷放大器具备对上述电压变换所输出的电压信号和上述基准电压生成部所生成的基准电压进行差动放大的放大部(35、35a)。
5.根据权利要求1至4中的任1项所述的电荷放大器内置型燃烧压传感器，其特征在于，
上述基准电压生成部将上述电压发生电路所生成的基准电压经由电压跟随器电路(313)进行供给。
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