JP2009115705A - 周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号を積分した電圧信号を出力する回路装置、エンジンの燃焼圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】さまざまな要因により積分回路に外乱としての直流成分が作用するので、エンジンの排気行程が終了して燃焼圧力がゼロになっても、圧電センサ出力の積分値はゼロにならず、外乱の直流成分を積分した値が残る。
【解決手段】入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であり、同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号である。メイン積分回路１・２・３は、入力信号と、サブ積分回路８・９が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力するとともに、同期信号に応動して積分値が逐次リセットされ。同期信号に応動し、メイン積分回路がリセットされる直前において、メイン積分回路が出力する電圧値に対応した電荷をサンプリングキャパシタ７に保持する。サブ積分回路８・９は、同期信号に応動し、サンプリングキャパシタ７に保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいてメイン積分回路に前記補正信号を与える。
【選択図】図１

Description

この発明は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号を積分した電圧信号を出力する回路装置に関するものであり、また具体的な応用技術として、エンジンの燃焼圧力検出装置に関するものである。

たとえば特開２００２−６２２１１号公報や特開２００７−１１３８５１号公報に見られるように、ディーゼルエンジンの高性能化技術の一環として、シンリダ内の燃焼圧力を正確に検出するためのセンサシステムの技術開発がさかんに行われている。

典型的なエンジン燃焼圧力検出装置は、グロープラグに一体化して配設した圧電センサを燃焼圧力下に臨ませ、同様にグロープラグに一体化して配設した半導体集積回路装置によりセンサ信号を処理する構成をとっている。

圧電センサは、これに加えられた圧力の変化率に対応した交流電流信号を発生する。したがって、圧電センサが出力する交流電流信号を積分することで燃焼圧力に対応した電圧信号を得ることができる。

圧電センサが出力する交流電流信号を積分する回路としては、オペアンプとキャパシタからなる周知慣用の完全積分回路を用いることが簡便かつ理想的である。しかし実際に試験すると、いろいろな問題点があることにすぐに気がつく。

＝＝＝解決課題その１＝＝＝
第１の問題点は、積分回路に対してさまざまな外乱が作用することである。グロープラグに配設された圧電センサはきわめて大きな温度変化にされされるので、圧電センサの出力に焦電効果による直流成分が発生し、その直流成分が温度により変化する。またグロープラグをシリンダに固定する機械力によって圧電センサにバイアス圧力が加わり、そのバイアス圧力により圧電センサの出力に直流成分が重畳される。また、オペアンプのオフセットも大きな温度変化の影響でドリフトするので、オフセットを完全に補償することも難しい。

以上のような要因により積分回路に外乱としての直流成分が作用するので、エンジンの排気行程が終了して燃焼圧力がゼロ（最小）になっても、圧電センサ出力の積分値はゼロにならず、外乱の直流成分を積分した値が残ることになる。

排気行程が終了して燃焼圧力がゼロになるタイミングは、エンジン動作サイクルから容易に検出でき、エンジンの電子制御システムにおいては排気行程終了を知らせる同期信号は既存である。

したがって、排気行程終了を知らせる同期信号に応動して積分回路を逐次リセットすれば、外乱の直流成分を積分した値をつぎのサイクルまで持ち越すことはない。しかし、排気行程の終了時に積分回路の出力値がゼロではなく無視できない大きさである場合は、そのサイクル内での積分信号（燃焼圧力の検出信号）の精度が時間とともに悪化しているということである。外乱の大きさによっては、１サイクル内において積分回路が飽和してしまう現象も発生する。

＝＝＝解決課題その２＝＝＝
ディーゼルエンジンの燃焼室の圧力変化はきわめて大きく、圧電センサが出力する交流電流信号の振幅はかなりの大振幅となる。圧電センサから生じる電荷量が大きいということである。この信号を半導体集積回路装置の完全積分回路（オペアンプとキャパシタ）で積分する場合、積分キャパシタの容量値に対して入力信号の電荷量が大きすぎ、積分回路がすぐに飽和してしまうという問題が発生する。半導体集積回路装置では、飽和しないような大きな容量値のキャパシタを造り込むことが困難だからである。

解決課題その１に対処するために、発明者は、以下の事項（１）〜（６）により特定される回路装置の発明を創作した。
（１）メイン積分回路と、サンプルホールド回路と、サブ積分回路を備え、入力信号と同期信号が外部から与えられる回路装置であること
（２）入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であること
（３）同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号であること
（４）メイン積分回路は、入力信号と、サブ積分回路が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力するとともに、同期信号に応動して積分値が逐次リセットされること
（５）サンプルホールド回路は、同期信号に応動し、メイン積分回路がリセットされる直前において、メイン積分回路が出力する電圧値に対応した電荷をキャパシタに保持すること
（６）サブ積分回路は、同期信号に応動し、サンプルホールド回路のキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいてメイン積分回路に前記補正信号を与えること

また、解決課題その１・その２の両方に対処するために、発明者は、以下の事項（11）〜（24）により特定される回路装置の発明を創作した。
（11）半導体集積回路により構成され、第１積分回路と、第１サンプルホールド回路と、第２積分回路と、第２サンプルホールド回路と、第３積分回路と、クロック発生回路を備え、入力信号と同期信号が外部から与えられる回路装置であること
（12）入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であること
（13）同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号であること
（14）クロック発生回路は、同期信号の１周期を複数に区分するクロック信号を発生すること
（15）第１積分回路は、第１オペアンプと、第１オペアンプの反転入力と出力を接続する第１積分キャパシタと、第１積分キャパシタを短絡する第１リセットスイッチを含むこと
（16）第１積分回路は、入力信号と、第３積分回路が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力すること
（17）第１積分回路は、クロック信号に応動して第１リセットスイッチがオンとなって積分値が逐次リセットされること
（18）第１サンプルホールド回路は、クロック信号に応動し、第１積分回路がリセットされる直前において、第１積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第１サンプリングキャパシタに保持すること
（19）第１サンプリングキャパシタの容量値は、第１積分キャパシタの容量値の数分の１以下であること
（20）第２積分回路は、第２オペアンプと、第２オペアンプの反転入力と出力を接続する第２積分キャパシタと、第２積分キャパシタを短絡する第２リセットスイッチを含むこと
（21）第２積分回路は、クロック信号に応動し、第１サンプリングキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで第２積分キャパシタに累積して電圧信号を出力すること
（22）第２積分回路は、同期信号に応動して第２リセットスイッチがオンとなって積分値が逐次リセットされること
（23）第２サンプルホールド回路は、同期信号に応動し、第２積分回路がリセットされる直前において、第２積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第２サンプリングキャパシタに保持すること
（24）第３積分回路は、同期信号に応動し、第２サンプリングキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいて第１積分回路に前記補正信号を与えること

もちろん、この発明に係る回路装置は、圧電センサと組み合わされ、エンジンの燃焼圧力検出装置に応用されるものであり、その場合、圧電センサは、エンジンの燃焼圧力下に置かれ、燃焼圧力の変化率に対応した交流電流信号を出力し、回路装置は、圧電センサが出力する交流圧力信号が前記入力信号として与えられるとともに、エンジンの動作サイクルに同期して燃焼圧力が最小となるタイミングで発生する信号が前記同期信号として与えられる構成となる。

以下に詳しく説明するように、この発明により、上記の解決課題その１を達成することができるし、また解決課題その１と２の両方をも達成することができる。

＝＝＝図１の実施例＝＝＝
図１に示す実施例は、メイン積分回路と、サンプルホールド回路と、サブ積分回路を備える回路装置である。メイン積分回路は、第１オペアンプ１と、第１オペアンプ１の反転入力と出力を接続する第１積分キャパシタ２と、第１積分キャパシタ２を短絡する第１リセットスイッチ３とからなる。

第１オペアンプ１の反転入力に外部の信号源からの入力信号が印加される。この実施例の信号源はエンジン燃焼圧力検出装置の圧電センサ４であり、圧電センサ４の一端が抵抗５を介して第１オペアンプ１に接続されている。圧電センサ４が発生する入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号である。この入力信号と密接に関連する同期信号として、リセット信号Ｓ１と、制御信号Ｓ２・Ｓ３が外部から与えられる。第１リセットスイッチ３は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期したリセット信号Ｓ１に応動してオンとなり、これによりメイン積分回路の積分値がゼロにリセットされる。

サンプルホールド回路は、第１オペアンプ１の出力とグランド間に直列接続されたスイッチ６とサンプリングキャパシタ７とからなり、図２に示すように、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した制御信号Ｓ１に応動してスイッチ６がオンとなり、メイン積分回路がリセットされる直前において、メイン積分回路が出力する電圧値に対応した電荷をキャパシタ７に保持する。

サブ積分回路は、第２オペアンプ８と、第２積分キャパシタ９と、サンプリングキャパシタ７と第２オペアンプ８の反転入力を結ぶスイッチ１０と、第２積分キャパシタ９を短絡する初期リセット用のスイッチ１１と、第２オペアンプ８の出力と第１オペアンプ１の非反転入力を結合する抵抗１２・１３とからなる。

図２に示すように、制御信号Ｓ２によりスイッチ６が瞬時オンしてメイン積分回路の積分出力に対応した電荷がキャパシタ７にサンプリングされると、制御信号Ｓ３によりスイッチ１０がオンとなる。これによりサンプリングキャパシタ７に保持された電荷がサブ積分回路に取り込まれて第２積分キャパシタ９に累積される。サブ積分回路（第２オペアンプ８）の累積出力は抵抗１２・１３を介してメイン積分回路（第１オペアンプ１）の非反転入力に印加される。

以上のように、メイン積分回路は、圧電センサ４から与えられる入力信号と、サブ積分回路が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力するとともに、同期信号（リセット信号Ｓ１）に応動して積分値が逐次リセットされる。また、サンプルホールド回路は、同期信号（制御信号Ｓ２）に応動し、メイン積分回路がリセットされる直前において、メイン積分回路が出力する電圧値に対応した電荷をキャパシタ７に保持する。そして、サブ積分回路は、同期信号（制御信号Ｓ３）に応動し、サンプルホールド回路のキャパシタ７に保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいてメイン積分回路に前記補正信号を与える。

したがって、前述したような要因によりメイン積分回路に外乱としての直流成分が入力信号に重畳され、そのために圧電センサ４からの入力信号の積分結果が周期的にゼロになりべきタイミングにおいてもメイン積分回路の積分出力がゼロにならない場合（その値を外乱積分値と呼ぶことにする）、同期信号の各サイクルごとにメイン積分回路の外乱積分値がサンプリングキャパシタ７に逐次保持されるとともに、サブ積分回路によって累積され、その累積出力に基づいた補正信号がメイン積分回路に負帰還される。このようにして、同期信号のつぎのサイクルでは外乱積分値を抑制するようにメイン積分回路に対してフィードバック制御作用が働き、メイン積分回路は外乱としての直流成分の影響のきわめて小さい高精度な積分出力を生成することになる。

＝＝＝図３の実施例＝＝＝
図３に示す実施例は、半導体集積回路装置により構成され、第１積分回路と、第１サンプルホールド回路と、第２積分回路と、第２サンプルホールド回路と、第３積分回路と、クロック発生回路を備え、入力信号と同期信号が外部から与えられる回路装置である。図１の実施例と異なるのは、前述した解決課題その２に対処するために、図１におけるメイン積分回路を以下に説明する第１積分回路と第１サンプルホールド回路と第２積分回路とによって構成した点にある。

図１の実施例と同様に、圧電センサ４から与えられる入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であり、この入力信号と関連して外部から与えられる同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号である。図示しないクロック発生回路は、同期信号の１周期を複数に区分するクロック信号を発生するものである。クロック信号については以下の説明で順次明らかとなる。

第１積分回路は、第１オペアンプ２１と、第１オペアンプ２１の反転入力と出力を接続する第１積分キャパシタ２２と、第１積分キャパシタ２２を短絡する第１リセットスイッチ２３を含む。また、第１積分回路（第１オペアンプ２１）は、圧電センサ４からの入力信号と、第３積分回路（第３オペアンプ８）が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力する。さらに、第１積分回路は、クロック信号ＣＬ１に応動して第１リセットスイッチ２３がオンとなって積分値が逐次リセットされる。

第１サンプルホールド回路は、第１サンプリングキャパシタ３０と、４つのスイッチ３１・３２・３３・３４を含む。スイッチ３１と３２は、図４に示すように、クロック信号ＣＬ１により第１積分回路がリセットされる直前において、クロック信号ＣＬ２に応動して同時に瞬時オンとなり、第１積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第１サンプリングキャパシタ３０に保持する。

第１サンプリングキャパシタ３０に第１積分回路の積分値が保持されてスイッチ３１と３２がオフになると、つぎに図４に示すように、クロック信号ＣＬ３に応動してスイッチ３３と３４がオンとなり、第１サンプリングキャパシタ３０に保持された電荷が第２積分回路に入力される。

第２積分回路は、第２オペアンプ４１と、第２オペアンプ４１の反転入力と出力を接続する第２積分キャパシタ４２と、第２積分キャパシタ４２を短絡する第２リセットスイッチ４３を含む。

前述したように、圧電センサ４が発生する入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号である。この入力信号と密接に関連する同期信号として、図４にタイミングを示した、リセット信号Ｓ１と、制御信号Ｓ２・Ｓ３が外部から与えられる。第２積分回路の第２リセットスイッチ４３は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期したリセット信号Ｓ１に応動してオンとなり、これにより第２積分回路（オペアンプ４１）の積分値がゼロにリセットされる。

第２サンプルホールド回路は、図１の実施例と同じ構成であり、第２積分回路（第２オペアンプ４１）の出力とグランド間に直列接続されたスイッチ６と第２サンプリングキャパシタ７とからなり、図４に示すように、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した制御信号Ｓ２に応動してスイッチ６がオンとなり、第２積分回路（第２オペアンプ４１）がリセットされる直前において、第２積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第２サンプリングキャパシタ７に保持する。

第３積分回路は、図１の実施例におけるサブ積分回路と同じ構成であり、第３オペアンプ８と、第３積分キャパシタ９と、第２サンプリングキャパシタ７と第３オペアンプ８の反転入力を結ぶスイッチ１０と、第３積分キャパシタ９を短絡する初期リセット用のスイッチ１１と、第３オペアンプ８の出力と第１オペアンプ１の非反転入力を結合する抵抗１２・１３とからなる。

図４に示すように、制御信号Ｓ２によりスイッチ６が瞬時オンして第２積分回路（第２オペアンプ４１）の積分出力に対応した電荷が第２サンプリングキャパシタ７に保持されると、制御信号Ｓ３によりスイッチ１０がオンとなる。これにより第２サンプリングキャパシタ７に保持された電荷が第３積分回路（第３オペアンプ８）に取り込まれて第３積分キャパシタ９に累積される。第３積分回路（第３オペアンプ８）の累積出力は抵抗１２・１３を介して第１積分回路（第１オペアンプ１）の非反転入力に印加される。

＝＝＝図３の実施例の図１の実施例と異なる特徴＝＝＝
図３の実施例における第１積分回路と第１サンプルホールド回路と第２積分回路が、図１の実施例におけるメイン積分回路に相当する。図示しないクロック発生回路は、第１積分回路を周期的にリセットするクロック信号ＣＬ１と、第１サンプルホールド回路のスイッチ３１・３２を制御するクロック信号ＣＬ２と、第１サンプルホールド回路のスイッチ３３・３４を制御するクロック信号ＣＬ３とを、図４に示すタイミング関係で発生する。これらクロック信号ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３の周期は同じであり、かつ、圧電センサ４が発生する入力信号の積分結果がゼロになるタイミングを示す同期信号（図４のリセット信号Ｓ１と制御信号Ｓ２・Ｓ３）の周期よりはるかに小さい周期である。

エンジンの燃焼圧力検出装置の場合、圧電センサ４が発する入力信号の積分結果がゼロになるべきタイミングを示す同期信号の周期は、エンジン回転速度によって変化するが、おおよそ２０〜２００ミリ秒の範囲である。これに対してクロック信号ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３の周期をたとえば１ミリ秒に設定する。

こうすることにより、同期信号（Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３）の１周期を数十〜数百のサンプリング区間に区分して、つまり数十回〜数百回に小分けにして、圧電センサ４が発する入力信号（交流電流信号）を第１積分回路で逐次積分して後段に逐次転送するのである。これにより、第１積分キャパシタ２２の容量値がきわめて小さくても、圧電センサ４が発する大振幅の交流電流信号を第１オペアンプ２１が飽和せずに正確に積分することができる。

もう１つの特徴は、第１サンプリングキャパシタ３０の容量値が第１積分キャパシタ２２の容量値の数分の１以下（たとえば５０分の１程度）である点である。

上記したように、クロック信号ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３に応動し、第１積分回路（第１オペアンプ２１）が出力する電圧値に対応する電荷が第１サンプリングキャパシタ３０に保持され、第１サンプリングキャパシタ３０の電圧は直前の第１積分キャパシタ２２の電圧と等しくなる。しかし、キャパシタ３０の容量値がキャパシタ２２の容量値よりはるかに小さいので、キャパシタ３０に保持された電荷量はキャパシタ２２に保持されていた電荷量よりはるかに少ない。

そして上記したように、第２積分回路は、クロック信号ＣＬ１・ＣＬ２・ＣＬ３に応動し、第１サンプリングキャパシタ３０に保持された電荷を逐次取り込んで第２積分キャパシタ４２に累積して電圧信号を出力する。つまり、同期信号（Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３）の１周期にわたり、圧電センサ４からの入力信号をたとえば７０回に小分けして第１積分回路で逐次積分し、その７０回分の積分出力を第１サンプルホールド回路を介して第２積分回路にて累積し、同期信号（Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３）の１周期分の積分結果を得る構成となっている。

第１積分回路と第２積分回路の間に第１サンプルホールド回路が介在しており、第１積分回路から第１サンプリングキャパシタ３０に転送される電荷量はキャパシタ２２に保持されていた電荷量よりはるかに少ないので、これを７０回分累積する第２積分キャパシタ４２の容量値がそれほど大きくなくても、第２オペアンプ４１を飽和させることなく同期信号（Ｓ１・Ｓ２・Ｓ３）の１周期分の積分結果を得ることができる。

以上のことから、積分キャパシタの容量値を大きくすることが困難な半導体集積回路においても、大振幅の交流電流信号の入力を飽和することなく積分できることになる。

第１実施例の回路構成図 第１実施例のタイミング説明図 第２実施例の回路構成図 第２実施例のタイミング説明図

符号の説明

１、８、２１、４１ オペアンプ
２、９、２２、４２ 積分キャパシタ
７、３０ サンプリングキャパシタ

Claims (3)

1. メイン積分回路と、サンプルホールド回路と、サブ積分回路を備え、入力信号と同期信号が外部から与えられる回路装置であって、
   入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であり、
   同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号であり、
   メイン積分回路は、入力信号と、サブ積分回路が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力するとともに、同期信号に応動して積分値が逐次リセットされ、
   サンプルホールド回路は、同期信号に応動し、メイン積分回路がリセットされる直前において、メイン積分回路が出力する電圧値に対応した電荷をキャパシタに保持し、
   サブ積分回路は、同期信号に応動し、サンプルホールド回路のキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいてメイン積分回路に前記補正信号を与える
   回路装置。
2. 半導体集積回路により構成され、第１積分回路と、第１サンプルホールド回路と、第２積分回路と、第２サンプルホールド回路と、第３積分回路と、クロック発生回路を備え、入力信号と同期信号が外部から与えられる回路装置であって、
   入力信号は、周期的に積分結果がゼロになる交流電流信号であり、
   同期信号は、入力信号の積分結果がゼロになるタイミングに同期した信号であり、
   クロック発生回路は、同期信号の１周期を複数に区分するクロック信号を発生し、
   第１積分回路は、第１オペアンプと、第１オペアンプの反転入力と出力を接続する第１積分キャパシタと、第１積分キャパシタを短絡する第１リセットスイッチを含み、
   第１積分回路は、入力信号と、第３積分回路が出力する補正信号との差分を積分した電圧信号を出力し、
   第１積分回路は、クロック信号に応動して第１リセットスイッチがオンとなって積分値が逐次リセットされ、
   第１サンプルホールド回路は、クロック信号に応動し、第１積分回路がリセットされる直前において、第１積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第１サンプリングキャパシタに保持し、
   第１サンプリングキャパシタの容量値は、第１積分キャパシタの容量値の数分の１以下であり、
   第２積分回路は、第２オペアンプと、第２オペアンプの反転入力と出力を接続する第２積分キャパシタと、第２積分キャパシタを短絡する第２リセットスイッチを含み、
   第２積分回路は、クロック信号に応動し、第１サンプリングキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで第２積分キャパシタに累積して電圧信号を出力し、
   第２積分回路は、同期信号に応動して第２リセットスイッチがオンとなって積分値が逐次リセットされ、
   第２サンプルホールド回路は、同期信号に応動し、第２積分回路がリセットされる直前において、第２積分回路が出力する電圧値に対応した電荷を第２サンプリングキャパシタに保持し、
   第３積分回路は、同期信号に応動し、第２サンプリングキャパシタに保持された電荷を逐次取り込んで累積するとともに、その累積出力に基づいて第１積分回路に前記補正信号を与える
   回路装置。
3. 請求項１または２に記載の回路装置と、圧電センサとを備えたエンジンの燃焼圧力検出装置であって、
   圧電センサは、エンジンの燃焼圧力下に置かれ、燃焼圧力の変化率に対応した交流電流信号を出力し、
   回路装置は、圧電センサが出力する交流圧力信号が前記入力信号として与えられるとともに、エンジンの動作サイクルに同期して燃焼圧力が最小となるタイミングで発生する信号が前記同期信号として与えられる
   エンジンの燃焼圧力検出装置。

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