JP2002062211A

JP2002062211A - 圧電式センサの信号処理装置

Info

Publication number: JP2002062211A
Application number: JP2001123036A
Authority: JP
Inventors: Toshiyuki Suzuki; 敏行鈴木; Hidekazu Kurokawa; 英一黒川; Hiroyuki Murai; 博之村井
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2000-06-09
Filing date: 2001-04-20
Publication date: 2002-02-28
Also published as: US20010052337A1; EP1162442A1; DE60102976T2; EP1162442B1; DE60102976D1; US6439030B2

Abstract

(57)【要約】【課題】リーク電流やノイズが原因でセンサ出力が変動
するといった不具合を解消し、且つ圧電素子の検出信号
を適正に得ること。【解決手段】燃焼圧センサ５は、ディーゼルエンジンに
おいてグロープラグの取り付け座面に締め付け固定され
る。燃焼圧センサ５には微分回路１１が接続され、その
微分回路１１には積分回路１２が接続されている。そし
て、積分回路１２の出力がフィルタ回路１３を通じて取
り出される。この場合、燃焼圧の変化に伴い燃焼圧セン
サ５で電荷が生じると、それに応じた信号が微分回路１
１に入力される。微分回路１１では、燃焼圧センサ５の
出力を微分して電流に変換する。積分回路１２では、微
分回路１１の出力（電流）を積分し、圧力相当の電圧信
号に戻す。これにより、圧力変化の波形が得られること
となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電素子を利用し
た圧電式センサを用い、その圧電式センサの検出値から
圧力や振動等、圧電素子に作用する外力を好適に測定す
る装置に関するものであり、例えばエンジンの燃焼圧力
を測定するための燃焼圧検出装置として実現される。

【０００２】

【従来の技術】この種の従来の燃焼圧検出装置では、燃
焼圧センサの信号処理回路（アンプ）としてチャージア
ンプ方式を採用していた。これは、燃焼圧力に相当する
電流（電荷）を燃焼圧センサで検出し、その電流（電
荷）を積分回路で積分することにより燃焼圧力に相当す
る電圧値を出力するものであった。この燃焼圧検出装置
は、図１１に示すような回路構成となっている。

【０００３】図１１において、燃焼圧センサ６１には、
チャージアンプとしての積分回路６２が接続されてお
り、積分回路６２の出力がＨＰＦ（ハイパスフィルタ）
６３、増幅器６４、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）６５を
経由して出力される。積分回路６２は、オペアンプ６
６、抵抗６７及びコンデンサ６８により構成され、燃焼
圧センサ６１で発生する電荷を積分し電圧値を出力す
る。

【０００４】この回路では、微弱な電流信号を積分回路
６２で積分するため、オペアンプ６６のバイアス電流に
よってコンデンサ６８がチャージされることがないよう
に高入力インピーダンスのオペアンプ６６を使用し、コ
ンデンサ６８に電荷を蓄積するようにしている。また、
積分の時定数はコンデンサ６８と抵抗６７にて決まり、
積分回路６２のカットオフ周波数が比較的低いため、抵
抗６７の抵抗値は数ＭΩ〜数１０ＭΩと高抵抗となる。
因みに、積分回路６２のカットオフ周波数が０．８Ｈ
ｚ、コンデンサ６８の容量が０．１μＦの場合、抵抗６
７の抵抗値は２ＭΩ程度となる。

【０００５】また、エンジンの燃焼周期を考えると、抵
抗６７の抵抗値は以下のように求められる。つまり、ア
イドル時のエンジン回転数から燃焼周期ｆを算出する
と、ｆ＝７５０ｒｐｍ／（６０ｓｅｃ×２サイクル）＝
６．２５Ｈｚとなる。この場合、十分な積分効果を得る
ためには、積分回路６２のカットオフ周波数を検出周波
数（燃焼周期ｆ）の１／１０程度にするとよいこと、並
びに次の数式にて抵抗６７の抵抗値Ｒｉｎが規定される
ことを考慮し、抵抗６７の抵抗値が算出される。Ｒｉｎ≧１／（２π×０．１×ｆ×Ｃｉｎ）但し、Ｃｉｎ＝０．１μＦである。以上のことから、抵
抗６７の抵抗値Ｒｉｎは２．５ＭΩ程度となることが分
かる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、積分回路６
２の入力インピーダンスは抵抗６７と同じであることか
ら高インピーダンスとなる。このため、使用環境下での
湿度等が原因でリーク電流の影響を受け易く、特に車載
等の環境下では、湿度によるリーク電流の影響を受け易
い。この問題を図１２のタイムチャートを用いて説明す
る。なお、図１２において（ａ）は燃焼圧の変化を示
し、（ｂ）〜（ｄ）はそれぞれ積分回路６２の出力（出
力電圧）を示す。

【０００７】図１２（ａ）において、エンジンの各気筒
で燃焼が行われる度に、燃焼圧が上昇する。この場合、
リーク電流の影響を受けていなければ、図１２（ｂ）に
示すように、積分回路６２の出力は、オペアンプ６６の
電源電圧付近で規定される出力電圧範囲内（例えば約０
〜−１２Ｖ）で変化する。また、その時々の燃焼圧のレ
ベルに追従して積分回路６２の出力波形が得られる。こ
こで、燃焼圧センサ６１の出力信号がオペアンプ６６の
−入力端子に入力されることから、出力値が反転してい
る。このオペアンプ６６の電源としては±電源（例えば
±１２Ｖ）が必要となり、マイナス電源（−電源）を用
意しなければならないことから車載用として不適である
ことが分かる。

【０００８】一方、リーク電流の影響を受けると、図１
２（ｃ）に示すように、積分回路６２の出力はレベルシ
フトした状態となる。この場合、センサ出力が変動する
という不都合が生ずる。但し図１１の構成では、積分回
路６２の後段にＨＰＦ６３が設けられるので直流成分が
除去され、レベルシフトの影響がある程度は取り除かれ
る。

【０００９】リーク電流の影響が更に大きくなると、図
１２（ｄ）に示すように、積分回路６２の出力波形その
ものが崩れ、燃焼圧の変化がオペアンプ６６の最低出力
電圧（図のＶＬ）で飽和し制限されてしまう。なお、オ
ペアンプ６６が±電源で駆動されているので、オペアン
プ６６の最低出力電圧（図のＶＬ）はマイナス電源の電
圧値程度となる。この場合、後段のＨＰＦ６３では燃焼
圧の変化のみを取り出すことができなくなる。よって、
実際の圧力変化を検出することができないという問題が
発生する。

【００１０】また、エンジンのインジェクタ駆動系など
でノイズが発生すると、そのノイズの影響により積分回
路６２の出力が変動し、燃焼圧の検出精度が悪化してし
まう。

【００１１】ここで、リーク電流の影響を受けにくくす
べく、燃焼圧センサの近くに信号処理回路を取り付ける
か、センサコネクタに信号処理回路を内蔵するなどの対
策が考えられるが、同回路への温度影響（バイアス電流
増加など）により燃焼圧の検出精度が悪化したり、コス
ト高を招いたりする等の別の問題が発生する。また、エ
ンジンに接近し高温になるため部品の選定が困難にな
る。

【００１２】一方、この種の従来技術として、特開平４
−９７６１４号公報が開示されている。同公報の装置
は、圧電素子を用いたタッチセンサに関するものであ
り、圧電素子の起電力を入力する微分回路と、この微分
回路の出力を整流するダイオードと、ダイオードにより
整流した信号を入力する積分回路と、この積分回路の出
力を所定の電圧と比較する比較回路とを備える。同装置
では、微分回路により圧電素子の起電力から変化分のみ
を取り出し、ダイオードで整流して積分回路により安定
させるようにしており、これにより、センサ検出結果の
信頼性を高めるようにしていた。

【００１３】しかしながら、上記公報の装置は、圧電素
子に加えられる力の積算値が所定レベル以上かどうかを
判断するものであり、ダイオードを介して得られる信号
は圧力の増加分（片側変化）のみを反映したものとな
る。それ故、信号波形そのものの再現が可能ではなく、
エンジンの燃焼圧力など、振動成分を含む圧力信号につ
いて信号処理が好適に実施できるものではなかった。

【００１４】本発明は、上記問題に着目してなされたも
のであって、その目的とするところは、リーク電流やノ
イズが原因でセンサ出力が変動するといった不具合を解
消し、且つ圧電素子の検出信号を適正に得ることができ
る圧電式センサの信号処理装置を提供することである。

【００１５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明に
よれば、圧電素子の検出信号が微分回路で微分され、圧
電素子に作用した外力の変化分相当の信号成分が抽出さ
れる。このとき、圧電素子の電荷の微分値である電流が
検出されることとなる。従って、使用環境下での湿度等
に起因して定常的なリーク電流が圧電式センサに生じた
としても、そのリーク電流の影響のない検出信号が得ら
れる。またこのとき、微分回路でセンサ出力を受けるこ
とにより、チャージアンプ（積分回路）でセンサ出力を
受ける従来構成と比べて、外乱ノイズの影響が大幅に低
減できる。それ故、リーク電流や外乱ノイズが原因でセ
ンサ出力が変動するといった不具合が解消され、圧電素
子の検出信号を適正に得ることができる。

【００１６】また本発明では、微分回路の出力を積分手
段で積分することにより、積分手段の出力が圧電式セン
サにて検出された外力相当の電圧信号に戻り、外力変化
の波形を取り出すことができる。この場合、積分手段の
出力として得られる信号の周波数領域が被検出対象の検
出周波数領域に基づき設定されているので、所望の周波
数領域において被検出対象である圧力振動等が精度良く
再現できる。

【００１７】また、請求項２に記載の発明では、被検出
対象の検出周波数領域の上限に基づき前記微分回路のカ
ットオフ周波数が設定され、同検出周波数領域の下限に
基づき前記積分手段のカットオフ周波数が設定されてい
る。実際には、被検出対象の検出周波数領域の上限の約
１０倍程度で微分回路のカットオフ周波数が設定され、
同検出周波数領域の下限の約１／１０程度で積分手段の
カットオフ周波数が設定されると良い。これにより、被
検出対象の検出周波数領域内において積分手段の出力信
号のゲインがほぼ一定となる。

【００１８】請求項３に記載の発明では、圧電式センサ
は、圧電素子により圧力の変化を検出する圧力センサで
あり、かかる場合には、圧力の変化分に応じた信号成分
が抽出され、圧力検出信号を適正に得ることができる。

【００１９】また、請求項４に記載したように、圧電式
センサとして燃焼圧センサを用い、エンジン筒内圧力の
変化から燃焼圧力を検出する場合において、本発明が好
適に採用できる。この場合、筒内圧力が変化する際にそ
の変化分を微分回路で抽出することにより、リーク電流
や外乱ノイズの影響を受けずに燃焼圧力が検出できる。
またここで、エンジン燃焼圧を検出する場合、燃焼圧の
パワースペクトルは数Ｈｚ〜数ＫＨｚの領域に分布し、
センサ出力を取り込む微分回路のカットオフ周波数は１
０ＫＨｚ前後の周波数に設定されることから、微分回路
を構成する抵抗の抵抗値は数１０ＫΩ程度となる（コン
デンサ容量＝数１００ｐＦとした場合）。これは、信号
入力部にチャージアンプを設けた場合に比べて、入力イ
ンピーダンスが十分に小さくなることを意味し、そのこ
とからもリーク電流の影響が排除できることが分かる。

【００２０】上記請求項４の発明では、請求項５に記載
したように、エンジン回転数の使用域に応じて前記微分
回路及び積分手段のカットオフ周波数が設定されると良
い。つまり、燃焼周期がエンジン回転数により決まるこ
とから、燃焼圧力の検出周波数領域は、概ねエンジン回
転数の使用域に一致する。故に本発明によれば、燃焼圧
力の検出周波数領域において、該燃焼圧力が好適に検出
できるようになる。

【００２１】本発明では特に、請求項６に記載したよう
に、圧電素子のコンデンサ成分と、外付けの抵抗とから
微分回路を構成すると良い。この場合、そのコンデンサ
容量は固定（数１００ｐＦ程度）であるので、外付けの
抵抗の値を決定することにより微分回路のカットオフ周
波数（時定数）を調整し、その際入力インピーダンスの
低減を図ることが可能となる。

【００２２】請求項７の構成によれば、オペアンプの一
方の入力端子にはセンサ出力が入力され、他方の入力端
子には正の基準電圧が入力される。この場合、オペアン
プの入力がグランド電位から持ち上げられる（浮く）の
で、正の電圧域で外力変化（圧力変化）が検出できる。
それ故、片電源（例えばプラス電源のみ）を備える回路
構成であっても圧電素子の検出信号を適正に得ることが
でき、車載に適した信号処理装置が実現できる。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、この発明を具体化した一実
施の形態を図面に従って説明する。本実施の形態の燃焼
圧検出装置は、車載ディーゼルエンジンの燃焼室内にお
ける燃焼圧力を検出するものであり、燃焼圧センサは、
例えばエンジンのシリンダヘッドに取り付けられる。そ
の構成を図１を用いて説明する。なお、図１の（ａ）
は、燃焼圧センサの取り付け状態を示す概略図、（ｂ）
は燃焼圧センサの拡大構成図である。

【００２４】図１（ａ）において、ディーゼルエンジン
のシリンダヘッド１にはグロープラグ２が取り付けら
れ、その先端のセラミック発熱部３がエンジン燃焼室４
内に突出している。燃焼圧センサ５は、グロープラグ２
の取り付け座面に締め付け固定されている。

【００２５】また、図１（ｂ）において、燃焼圧センサ
５は、リング状をなす上下一対の圧電素子６ａ，６ｂを
中心に構成され、その他に、両圧電素子６ａ，６ｂの間
に設けられる電極板７と、台座８と、押さえナット９
と、信号出力線１０とを有する。圧電素子６ａ，６ｂ
は、周知の通りチタン酸鉛等の圧電材料からなり、２枚
の圧電素子６ａ，６ｂを用いてそれらを並列接続するこ
とにより、その容量を２倍にしセンサ出力を増幅させる
ようにしている。燃焼圧センサ５は、燃焼圧に伴うグロ
ープラグ２の変位を圧電素子６ａ，６ｂに作用する荷重
の変化として検出する。但し、図１のセンサ構成は限定
要素ではなく、１枚又は３枚以上の圧電素子を用いた
り、燃焼圧センサ５をグロープラグ取り付け座面以外に
配置したりする等、任意に変更できる。

【００２６】図２は、燃焼圧検出装置の概要を示すブロ
ック図である。図２において、燃焼圧センサ５には微分
回路１１が接続され、その微分回路１１には積分回路１
２が接続されている。そして、積分回路１２の出力がフ
ィルタ回路１３を通じて取り出され、図示しないマイク
ロコンピュータ等に出力される。なお、フィルタ回路１
３は、燃焼圧検出信号から不要成分を除去したり、同検
出信号を所定の検出周波数領域に調整したりすることを
主たる役割とする。

【００２７】この場合、燃焼圧の変化に伴い燃焼圧セン
サ５（図１の圧電素子６ａ，６ｂ）で電荷が生じると、
それに応じた信号が微分回路１１に入力される。微分回
路１１では、燃焼圧センサ５の出力を微分して電流に変
換する。積分回路１２では、微分回路１１の出力（電
流）を積分し、圧力相当の電圧信号に戻す。これによ
り、圧力変化の波形が得られることとなる。

【００２８】但し図２の構成において、微分回路１１の
出力を、図示しないＬＰＦ（ローパスフィルタ）を介し
てそのまま取り出すよう構成することも可能である。こ
の場合、積分動作は、外部装置（マイクロコンピュータ
等）で別途実施されると良い。また、図２の構成からフ
ィルタ回路１３を無くし、そのフィルタ機能を外部装置
（マイクロコンピュータ等）に持たせて実現することも
可能である。

【００２９】微分回路１１の具体的構成を示せば図３の
ようになる。図３において、燃焼圧センサ５内には等価
的なコンデンサ１５があり、該コンデンサ１５と外付け
の抵抗１６により上記図２の微分回路１１が形成され
る。微分回路１１の出力は、増幅器１７を介して積分回
路１２に出力される。

【００３０】また、上記図３に代えて、図４のように具
体化することも可能である。図４では、燃焼圧センサ５
に初段増幅器２１が接続されている。この初段増幅器２
１は、オペアンプ２２、抵抗２３及び２４からなる。ま
た、センサ内部のコンデンサ１５と抵抗２３により微分
回路１１が構成されている。特にこの場合、オペアンプ
２２の＋入力端子（非反転入力端子）には所定の基準電
圧Ｖｒが入力されるようになっており、この基準電圧Ｖ
ｒにより該＋入力端子の電位が正の電位に浮くことにな
る。これにより、オペアンプ２２の−入力端子（反転入
力端子）の電位が＋入力端子と同じ電位に持ち上げら
れ、その電位（Ｖｒ）を中心にオペアンプ２２の出力が
振幅するようになる。基準電圧Ｖｒは一例として、定電
圧（例えば５Ｖ）を分圧して生成されるものあれば良
い。

【００３１】なお、図４の回路では、ディーゼルエンジ
ンのインジェクタ駆動系などにて発生するノイズの除去
を目的として、抵抗２４に並列にコンデンサを接続する
構成としても良い。

【００３２】また、上記の積分回路１２及びフィルタ回
路１３も含めその詳細な回路構成を示したものが図５で
ある。つまり、上述した構成と同様に、センサ内部のコ
ンデンサ１５を用い、そのコンデンサ１５と抵抗３３に
より微分回路１１が構成されている。積分回路１２に
は、ＢＰＦ（バンドパスフィルタ）回路３１及びＬＰＦ
（ローパスフィルタ）回路３２が直列に接続されてお
り、これらＢＰＦ回路３１とＬＰＦ回路３２とが前記フ
ィルタ回路１３に相当する。但し、フィルタ回路１３の
構成として、ＨＰＦ回路とＬＰＦ回路とを組み合わせて
も良い。

【００３３】ここで、積分回路１２のオペアンプ３５、
ＢＰＦ回路３１のオペアンプ３６、及びＬＰＦ回路３２
のオペアンプ３７は何れも、その＋入力端子に所定の基
準電圧Ｖｒが入力されるようになっており、この基準電
圧Ｖｒにより該＋入力端子の電位が正の電位に浮くこと
になる。これにより、オペアンプ３５，３６，３７の−
入力端子の電位が＋入力端子と同じ電位に持ち上げら
れ、その出力が＋入力端子と同じ電位を中心に振幅する
ようになる。

【００３４】この場合、積分回路１２では、オペアンプ
３５の−入力端子が持ち上げられることから直流成分が
センサ側に流れ込むおそれがあるが、コンデンサ３４を
設けることにより直流成分の影響が排除される。また、
このコンデンサ３４は、リーク電流の影響を防ぐ役割も
持つ。

【００３５】因みに、このコンデンサ３４とその前に接
続されている抵抗３８によりＨＰＦを形成しているが、
そのカットオフ周波数が０．８Ｈｚ程度と低く設定され
るので、コンデンサ３４は数μＦ程度となる。数μＦ程
度のコンデンサになると、電解コンデンサなどを使用す
る場合に低リーク部品が必要となるため、これを考慮す
ると、図５の構成よりも図４の回路構成の方が適してい
るとも言える。こうしたことから、使用部品に応じて回
路構成を決めるのが望ましい。

【００３６】次に、微分回路１１及び積分回路１２の各
々の時定数（カットオフ周波数）の設定方法について説
明する。ここでは先ず、微分回路１１について説明する
こととしその概要として、誤差が殆どない基準の燃焼圧
センサ（以下、基準センサという）を用い、この基準セ
ンサによる検出結果に対して出力波形が等しく、且つ位
相ズレが生じないよう微分回路１１の時定数を決定す
る。

【００３７】すなわち、燃焼圧が図６（ａ）のように変
化した場合において、基準センサの出力信号を微分した
微分波形が図６（ｂ）に実線で示すＡであるとする。こ
の場合、Ａ波形を基準に、微分回路１１の出力波形がＡ
波形に合致するように当該微分回路１１の時定数を決定
する。

【００３８】上述した図３のように、センサ内部のコン
デンサ１５と外付けの抵抗１６とから微分回路１１が構
成される場合、コンデンサ１５の容量は固定であるの
で、抵抗１６の抵抗値により時定数を調整する。なお、
波形の大きさは増幅器１７で合わせるものとする。図６
中点線で示すＢ波形は、抵抗１６の抵抗値を数ＭΩ程度
とした場合を示し、それでは抵抗値が大き過ぎるため、
図示の如くＡ，Ｂ波形が不一致となっている。調整の結
果、抵抗１６の抵抗値を１００ＫΩ以下まで小さくすれ
ば、上記のＡ，Ｂ波形がほぼ一致すると確認された。

【００３９】また、図７は、基準センサによる燃焼圧の
検出信号と、微分回路１１の出力を積分した後の信号と
について位相ズレを確認したものであり、同図の
（ａ），（ｃ）中、実線は基準センサによる結果を示
し、点線は微分出力を積分した結果を示す。但し、微分
出力を積分する積分回路は、調整前（未調整）の積分回
路１２を使うのではなく、理想的な積分結果が得られる
積分回路を使うか、或いは微分回路１１の出力を計測器
で測定し、データ演算により理想的な積分結果を得るよ
うにする。（ａ）のように各信号の位相がずれている場
合（基準の波形に対して微分及び積分後の波形が遅れて
いる場合）、それをリサージュ波形で見ると、（ｂ）の
ようになる。また、（ｃ）のように各信号の位相ズレが
殆どない場合、リサージュ波形は（ｄ）のようになる。
かかる場合、図の（ｃ），（ｄ）の特性が得られるよう
に微分回路１１の時定数を調整する。

【００４０】本実施の形態では、上記図６及び図７の調
整の結果から、微分回路１１の抵抗１６の抵抗値を２５
ＫΩとする。この場合、燃焼圧センサ５のコンデンサ容
量は７２０ｐＦであり、その抵抗値とコンデンサ容量と
の積から微分回路１１の時定数を決定する。このとき、
微分回路１１のカットオフ周波数は８．８ＫＨｚとな
る。

【００４１】一方、積分回路１２についても微分回路１
１の場合と同様に、基準センサによる検出結果に対して
出力波形が等しく、且つ位相ズレが生じないよう積分回
路１２の時定数を決定する。すなわち、基準センサによ
る検出信号と、積分回路１２の出力信号との比較により
時定数を調整する。具体的数値の一例として、抵抗値を
１ＭΩ、コンデンサ容量を０．２μＦとして積分回路１
２の時定数を決定する。このとき、積分回路１２のカッ
トオフ周波数は０．８Ｈｚとなる。

【００４２】次に、上記の如く構成される燃焼圧検出装
置の周波数特性を図８を用いて説明する。なお図８にお
いて、（ａ）は燃焼圧のパワースペクトルの分布を示
し、（ｂ）は微分回路１１及び積分回路１２のゲイン
を、（ｃ）は微分回路１１及び積分回路１２の出力の位
相を各々示す。

【００４３】図８（ａ）には、アイドル状態、中回転・
低負荷状態、高回転・ＷＯＴ（全負荷）状態の３状態を
例に、ディーゼルエンジンにおける燃焼圧のパワースペ
クトルを示す。図８（ａ）によれば、燃焼圧のパワース
ペクトルは周波数が比較的低い領域に分布していること
が分かる。実際には約６．２５Ｈｚ〜１ＫＨｚの領域に
分布しており、この領域が燃焼圧の検出周波数領域に相
当する。また、この周波数領域は、エンジン回転数の使
用域にほぼ一致する。

【００４４】図８（ｂ）では、微分回路１１及び積分回
路１２のゲインはそれぞれ２点鎖線で示され、積分回路
１２の出力信号のゲインは実線で示される。この場合、
微分回路１１のカットオフ周波数は８．８ＫＨｚであっ
て、それは燃焼圧の検出周波数領域の上限の約１０倍で
あり、また、積分回路１２のカットオフ周波数は０．８
Ｈｚであって、それは燃焼圧の検出周波数領域の下限の
約１／１０倍であることから、積分回路１２の出力信号
のゲインが検出周波数領域内で一定となる。

【００４５】また、図８（ｃ）では、微分回路１１の位
相と積分回路１２の位相はそれぞれ２点鎖線で示され、
積分回路１２の出力信号の位相は実線で示される。この
場合にも、やはり微分回路１１及び積分回路１２のカッ
トオフ周波数の関係から、積分回路１２の出力信号の位
相が検出周波数領域内で一定（０度）となる。

【００４６】上記図８によれば、検出周波数領域では、
ゲインが一定で且つ位相ズレが無いような積分回路１２
の出力が得られ、結果として正確な燃焼圧波形を得るこ
とができる。

【００４７】但し、上述した各々の具体的数値は一例に
過ぎず、燃焼圧センサやエンジンなど、各種条件が変更
されれば、それに応じて任意に変更できることは言うま
でもない。

【００４８】以上詳述した本実施の形態によれば、以下
に示す効果が得られる。燃焼圧センサ５（圧電素子６
ａ，６ｂ）の検出信号が微分回路１１で微分され、燃焼
圧の変化分に応じた信号成分が抽出されるので、使用環
境下での湿度等に起因して定常的なリーク電流が燃焼圧
センサ５に生じたとしても、そのリーク電流の影響のな
い燃焼圧検出信号が得られる。またこのとき、微分回路
１１でセンサ出力を受けることにより、チャージアンプ
でセンサ出力を受ける従来構成と比べて、外乱ノイズの
影響が大幅に低減できる。それ故、リーク電流や外乱ノ
イズが原因でセンサ出力が変動するといった不具合が解
消され、燃焼圧検出信号を適正に得ることができる。燃
焼圧センサ５が車載される場合には特に、湿度変化が大
きいことからリーク電流が発生し易いが、こうした状況
においても燃焼圧が精度良く検出できる。

【００４９】また、センサ出力の受け回路における入力
インピーダンスが低減できることからも（本実施の形態
では２５ＫΩ）、リーク電流の影響が排除できることが
分かる。

【００５０】燃焼圧センサ５の出力を直接積分する従来
方式では、比較的低周波な燃焼圧の検出領域においてリ
ーク電流成分を含むセンサ出力から燃焼圧信号だけを抽
出することは困難であったが、本実施の形態の構成で
は、リーク電流成分を含むセンサ出力から容易に燃焼圧
信号だけを抽出することが可能となる。

【００５１】また、微分回路１１の出力を積分回路１２
で積分することにより、積分回路１２の出力が燃焼圧セ
ンサ５にて検出された外力相当の電圧信号に戻り、燃焼
圧変化（圧力振動）の波形を再現することができる。こ
の場合、積分回路１２の出力として得られる信号の周波
数領域が燃焼圧（被検出対象）の検出周波数領域に基づ
き設定されているので、所望の周波数領域において燃焼
圧が精度良く検出できるようになる。

【００５２】オペアンプ２２，３５〜３７の各＋入力端
子に正の基準電圧Ｖｒを入力したので、正の電圧域で燃
焼圧の変化が検出できる。それ故、片電源（プラス電源
のみ）を備える回路構成であっても燃焼圧検出信号を適
正に得ることができ、車載に適した燃焼圧検出装置が実
現できる。すなわち、両電源（例えば±１２Ｖ）が不要
な構成となり、コスト面からも有利なものとなる。

【００５３】なお本発明は、上記以外に次の形態にて具
体化できる。燃焼圧検出装置の構成として、次の図９及
び図１０の構成が実現可能である。図９では、前記図４
の構成を一部変更し、積分用として抵抗２４に並列にコ
ンデンサ４１を接続している。要は、前記図４の積分回
路１２を初段増幅器２１に入れた構成となっている。ま
た、図１０では、前記図４の構成において、抵抗２３を
取り除き、センサ内部のコンデンサ１５と抵抗２４とか
ら微分回路を構成している。何れにしても、上記と同様
の優れた作用効果が得られる。

【００５４】上記実施の形態では、車載エンジンの燃焼
圧を検出するための燃焼圧検出装置として、本発明を具
体化したが、その以外の用途にも適宜応用できる。圧電
式センサとしては、圧電素子を利用して圧力又は振動を
検出するものに広く適用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃焼圧センサの取り付け部の構成を示す断面
図。

【図２】燃焼圧検出装置の概要を示すブロック図。

【図３】微分回路の具体的構成を示す電気回路図。

【図４】微分回路の具体的構成を示す電気回路図。

【図５】燃焼圧検出装置の構成を示す電気回路図。

【図６】微分回路の時定数の設定手順を説明するための
図。

【図７】微分回路の時定数の設定手順を説明するための
図。

【図８】燃焼圧検出装置の周波数特性を説明するための
図。

【図９】燃焼圧検出装置の構成を示す電気回路図。

【図１０】燃焼圧検出装置の構成を示す電気回路図。

【図１１】従来技術における燃焼圧検出装置を示す回路
図。

【図１２】リーク電流による問題を説明するためのタイ
ムチャート。

【符号の説明】

５…燃焼圧センサ、６ａ，６ｂ…圧電素子、１１…微分
回路、１２…積分回路、１５…コンデンサ、１６…抵
抗、２２，３５〜３７…オペアンプ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者村井博之愛知県刈谷市昭和町１丁目１番地株式会社デンソー内Ｆターム(参考） 2F055 AA23 BB12 CC11 DD09 EE23 FF11 GG44 2G087 AA01 CC12 3G084 AA01 BA00 DA20 DA30 EA00 EA01 FA21 FA33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電素子を利用した圧電式センサの信号処
理装置であって、前記圧電素子からの検出信号の入力部に微分回路を設け
ると共に、その後段に積分手段を設け、前記積分手段の
出力として得られる信号の周波数領域を、被検出対象の
検出周波数領域に基づき設定したことを特徴とする圧電
式センサの信号処理装置。
【請求項２】被検出対象の検出周波数領域の上限に基づ
き前記微分回路のカットオフ周波数を設定し、同検出周
波数領域の下限に基づき前記積分手段のカットオフ周波
数を設定した請求項１に記載の圧電式センサの信号処理
装置。
【請求項３】圧電式センサは、圧電素子により圧力の変
化を検出する圧力センサであり、該圧力センサの出力を
信号処理する請求項１又は２に記載の圧電式センサの信
号処理装置。
【請求項４】圧電式センサは、エンジン気筒内の燃焼圧
力を検出する燃焼圧センサであり、前記微分回路は、筒
内圧力が変化する際にその変化分を抽出するものである
請求項１又は２に記載の圧電式センサの信号処理装置。
【請求項５】請求項４に記載の圧電式センサの信号処理
装置において、エンジン回転数の使用域に応じて前記微
分回路及び積分手段のカットオフ周波数を設定した圧電
式センサの信号処理装置。
【請求項６】前記圧電素子のコンデンサ成分と、外付け
の抵抗とから前記微分回路が構成される請求項１〜５の
何れかに記載の圧電式センサの信号処理装置。
【請求項７】信号増幅のためのオペアンプを用いる信号
処理装置であり、一方の入力端子にはセンサ出力を入力
し、他方の入力端子には正の基準電圧を入力する請求項
１〜６の何れかに記載の圧電式センサの信号処理装置。