JP2010091352A - 圧力測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧力検知素子をハウジングに収容した状態で、できるだけ正確に圧力測定を行うことができる圧力測定装置を提供することを課題とする。
【解決手段】圧力測定装置1は、電流供給手段5と、この電流供給手段により供給電流が供給され、圧力の検出を行う圧力検知素子2と、この圧力検知素子2を収容するハウジング15を備える。また、測定圧力に応じた出力を行う電圧測定手段6を備え、ハウジング15の温度特性に応じて、圧力検知時の供給電流の入力値を選択する制御部(ECU)7を備える。制御部7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジングの状態を推定し、ハウジングの状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺するように圧力検知素子へ供給される供給電流の入力値を選択する。
【選択図】図1
【解決手段】圧力測定装置1は、電流供給手段5と、この電流供給手段により供給電流が供給され、圧力の検出を行う圧力検知素子2と、この圧力検知素子2を収容するハウジング15を備える。また、測定圧力に応じた出力を行う電圧測定手段6を備え、ハウジング15の温度特性に応じて、圧力検知時の供給電流の入力値を選択する制御部(ECU)7を備える。制御部7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジングの状態を推定し、ハウジングの状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺するように圧力検知素子へ供給される供給電流の入力値を選択する。
【選択図】図1
Description
本発明は、圧力測定装置に関する。
従来、できるだけ正確に応力を測定することを目的として、単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子とそのピエゾ抵抗素子に直列に接続されている補償用ダイオードを有する直列回路と、その直列回路の両端間の電圧を測定する電圧測定手段を備えた素子が知られている(特許文献1参照)。このような素子における単ゲージ抵抗は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有している。また、補償用ダイオードは、アノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有している。このため、ピエゾ抵抗素子と補償用ダイオードとを組み合わせることにより、温度影響を抑制して正確な圧力測定を行うことができる。
ところで、前記のような装置は、ハウジングに納められた状態で圧力測定対象部位に装着される。圧力測定対象部位の周辺が高温となると、ハウジングも熱の影響により伸縮する。圧力を検知する素子の受圧部には、ハウジングを介して圧力が伝達される。このため、熱の影響によるハウジングの伸縮が装置の圧力測定結果に影響を及ぼすことがある。
そこで、本発明は、圧力検知素子をハウジングに収容した状態で、できるだけ正確に圧力測定を行うことができる圧力測定装置を提供することを課題とする。
かかる課題を解決する本明細書開示の圧力測定装置は、電流供給手段と、当該電流供給手段により供給電流が供給され、圧力の検出を行う圧力検知素子と、当該圧力検知素子を収容するハウジングと、測定圧力に応じた出力を行う出力手段と、当該ハウジングの温度特性に応じて、圧力検知時の前記供給電流の入力値を選択する制御部と、を備えている。
圧力検知素子は、ある供給電流ISを与えると環境温度に関係なく一定の出力を得ることができ、また、供給電流がISよりも高かったり、低かったりすると、測定対象部位周辺の温度に応じて高い出力を示したり、低い出力を示したりする素子を用いる。すなわち、圧力検知素子は、供給電流に応じた温度特性を有しており、供給電流を変えることによって温度に応じた出力を示す素子を用いる。圧力検知素子のこのような温度特性を以下に述べるハウジングの温度特性のキャンセルに用いる。
ハウジングは、圧力測定対象部位周辺の温度の影響を受けて伸縮する温度特性を有する。ここで、温度が高いときに延び、温度が低いときに縮むのか、又は、温度が高いときに縮み、温度が低いときに延びるのかは、ハウジング内への圧力測定素子の収納状態、ハウジングの圧力測定対象部位への取り付け方法等の条件によって異なる。また、その伸縮の程度も、種々の条件によって異なる。
制御部は、熱によりハウジングがどのように振る舞うか、すなわち、どのような温度特性を示すのかを考慮し、その影響を打ち消す圧力検知素子の出力を得ることができるように供給電流の入力値を選択する。
ハウジングは、圧力測定対象部位周辺の温度の影響を受けて伸縮する温度特性を有する。ここで、温度が高いときに延び、温度が低いときに縮むのか、又は、温度が高いときに縮み、温度が低いときに延びるのかは、ハウジング内への圧力測定素子の収納状態、ハウジングの圧力測定対象部位への取り付け方法等の条件によって異なる。また、その伸縮の程度も、種々の条件によって異なる。
制御部は、熱によりハウジングがどのように振る舞うか、すなわち、どのような温度特性を示すのかを考慮し、その影響を打ち消す圧力検知素子の出力を得ることができるように供給電流の入力値を選択する。
このような圧力測定装置とすれば、圧力検知素子がハウジングに収容された状態であっても、圧力測定対象部位の温度の影響を補正した測定値を出力することができる。
なお、供給電流の入力値の変更に伴い、圧力検知素子の感度も変化する。具体的には、圧力検知素子の感度は、供給電流の入力値の大きさに比例して変化する。そこで、基準となる供給電流ISと実際に供給される電流との比率を圧力検知素子の感度の変化分として圧力の測定値に反映させる補正を行うことができる。このような補正を行うことにより、より正確な圧力の測定値を得ることができる。
なお、供給電流の入力値の変更に伴い、圧力検知素子の感度も変化する。具体的には、圧力検知素子の感度は、供給電流の入力値の大きさに比例して変化する。そこで、基準となる供給電流ISと実際に供給される電流との比率を圧力検知素子の感度の変化分として圧力の測定値に反映させる補正を行うことができる。このような補正を行うことにより、より正確な圧力の測定値を得ることができる。
本発明の圧力測定装置によれば、圧力測定対象部位周辺の温度の影響が補正された高精度な圧力の測定値を得ることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に詳細に説明する。
図1は、本実施例の圧力測定装置1の概略構成を示したブロック図である。図2は、圧力検知素子2が組み込まれた圧力検知部20をハウジング15内に収容した状態で断面とした説明図である。図3は、圧力測定装置1が備える圧力検知部20の拡散分解図である。
圧力測定装置1は、エンジンの燃焼圧センサとして用いられる。圧力検知部20は、燃焼室に配置される。圧力測定装置1は、電流供給手段5と、この電流供給手段5により供給電流が供給され、圧力値の検出を行う圧力検知素子2を備えている。圧力検知素子2は、圧力検知部20に組み込まれている。圧力測定装置1は、圧力検知素子2が組み込まれた圧力検知部20を任意の予荷重を伴って収容するハウジング15を備えている。ハウジング15は、インナーハウジング15aとアウターハウジング15bを有している。インナーハウジング15aの内部には、内側に向かって凸状となった力伝達部15a1が形成されている。インナーハウジング15aの外周面にはねじ切り加工がなされており、アウターハウジング15bの内周にねじ込まれることで固定されている。
また、圧力測定装置1は、測定圧力に応じた出力を行う出力手段である電圧測定手段6を備えている。さらに、圧力測定装置1は、制御部に相当するECU(Electronic control unit)7を備えている。このECU7には、エンジンに装着された水温計8が電気的に接続されている。また、電流供給手段5、電圧測定手段6もECU7に電気的に接続されている。ECU7は、ハウジング15の温度特性に応じて、圧力検知時の供給電流の入力値を選択する。
圧力検知素子2は、電流供給手段5に接続されており、単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子3とそのピエゾ抵抗素子3に直列に接続されている補償用ダイオード4を有する直列回路を形成している。ピエゾ抵抗素子2の補償用ダイオード4と対向する端子は、接地されている。圧力測定装置1は、前記のように電圧測定手段6を備えており、この電圧測定手段6は、直列回路の両端間の電圧を測定する。単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子3は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有している。このようなピエゾ抵抗素子3には、n型の不純物を含むシリコンチップの表面部に、p型の不純物を導入して形成されたピエゾ抵抗素子3が用いられている。
一方、補償用ダイオード4は、電流供給手段5に対して順方向に設けられており、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有している。
圧力検知部20は、インナーハウジング15a内に収容される。圧力検知部20は、図3の拡散分解図に良く示されるように、半球状の力伝達ブロック21と、直方体状の力伝達ブロック22と、シリコン単結晶ブロック23を備えている。図3に示すシリコン単結晶ブロック23の下面は、密封端子24の先端面24b(図2参照)に取付けられ、固定されている。シリコン単結晶ブロック23の表層部には、メサ段差状のピエゾ抵抗素子3と、電極27が形成されている。ピエゾ抵抗素子3をメサ段差状に形成することで、力伝達ブロック22から加わる応力がメサ段差に集中してかかるので、高感度化を実現できる。直方体状の力伝達ブロック22は、その下面がピエゾ抵抗素子3に陽極接合されている。半球状の力伝達ブロック21の下面は、直方体状の力伝達ブロック22の上面に取付けられている。半球状の力伝達ブロック21の頂面は、インナーハウジング15aに設けられた力伝達部15a1(図1参照)に接触している。
図2に示すように、密封端子24には貫通孔24aが形成されている。この貫通孔24a内にはリードピン25が伸びている。リードピン25は圧力検知部20の電極27(図3参照)にボンディングワイヤ26によって電気的に接続されている。
インナーハウジング15aの上面である受圧面15a2に圧力が加わると、その圧力は、力伝達部15a1を介して受圧部20の半球状の力伝達ブロック21に伝達される。この力伝達ブロック21は半球状であるため、力伝達部15a1からの圧力を半球の頂部のほぼ一点で受け、この圧力を周囲にほぼ等方的に分散して伝達する。そのほぼ等方的に分散された圧力は、直方体状の力伝達ブロック22を経由して、シリコン単結晶ブロック23の表層面から突出するピエゾ抵抗素子3に伝達される。
ピエゾ抵抗素子3に所定の圧力が伝達されると、ピエゾ抵抗効果によって、圧力による歪み量に応じてピエゾ抵抗素子3の電気抵抗値が変化する。ピエゾ抵抗素子3は温度上昇に依存して抵抗が上昇する。このため、定電流が供給される場合、ピエゾ抵抗素子3から出力される基準電圧は温度変化に依存して変動する。ここで「基準電圧」とは、ピエゾ抵抗素子3にハウジング15の組み付けによって発生させた予荷重以外の応力が印加されていないとみなせるときに電圧測定手段6が測定する電圧をいう。例えば、燃焼室内が大気圧状態とみなせるクランク角となるタイミングを指定し、このタイミングで取得された電圧を基準電圧とすることができる。このようなタイミングで測定される電圧であれば、予荷重以外の圧力が印加されておらず、基準電圧として採用することができる。圧力検知素子2は、この変化を相殺するために補償用ダイオード4を利用する。ダイオードのアノード・カソード間電圧が、温度上昇に依存して低下する。補償用ダイオード4の電圧降下現象を利用すれば、環境温度の上昇に依存した基準電圧の上昇を相殺することができる。
ここで、補償用ダイオード4の負の温度特性を図4に示すグラフを参照しつつ説明する。図4は、ダイオードのアノード・カソード間電圧と電流の関係を示すグラフである。図4のグラフにおいて、L1は環境温度が高いときの変化を示し、L2は環境温度が低いときの変化を示す。図4のグラフに示すように、ダイオードに同じ電流値Itの電流を供給する場合、環境温度が高いほどアノード・カソード間電圧が低い。ピエゾ抵抗素子3と補償用ダイオード4とを備えた直列回路を形成することにより、単ゲージ抵抗であるピエゾ抵抗素子3の抵抗値から換算される電圧のうち、環境温度に依存する分を補償用ダイオード4の電圧変化で補償することができる。
図5は、電流供給手段5がピエゾ抵抗素子3と補償用ダイオード4の直列回路を有する圧力検知素子2に供給する供給電流の入力値と、圧力が印加されてないときの出力電圧の関係を示すグラフである。
図5のグラフにおいて、一点鎖線は常温(TWL)における変化を示している。実線は中温(TWS)における変化を示している。破線は高温(TWH)における変化を示している。
図5のグラフにおいて、一点鎖線は常温(TWL)における変化を示している。実線は中温(TWS)における変化を示している。破線は高温(TWH)における変化を示している。
ピエゾ抵抗素子3に供給される供給電流の入力値がISのとき、圧力検知素子2は、環境温度によらず電圧VSを出力する。入力値ISでは、ピエゾ抵抗素子3の常温における抵抗とピエゾ抵抗素子3の抵抗温度係数とその電流を乗じて計算される値と、補償用ダイオード4の温度に依存するアノード・カソード間の電圧変化率とが等しくなる。供給電流の入力値をISに設定すると、圧力検知素子2に圧力が印加されていないときの基準電圧が安定化する。
これに対し、供給電流の入力値をISよりも大きい値であるIHとすると、常温(TWL)のときに電圧VHLを出力するのに対し、中温(TWS)のときには、電圧VHLより高い値である電圧VHSを出力する。そして、高温(TWH)のときには、電圧VHSよりさらに高い値である電圧VHHを出力する。
また、供給電流の入力値をISよりも小さい値であるILとすると、常温(TWL)のときに電圧VLLを出力するのに対し、中温(TWS)のときには、電圧VLLより低い値である電圧VLSを出力する。そして、高温(TWH)のときには、電圧VLSよりさらに低い値である電圧VLHを出力する。
このように、供給電流の入力値をIS以外に設定すると、基準電圧は温度によって変動する。供給電流の入力値をISよりも低く設定すると、環境温度が高いほど基準電圧が低くなる。供給電流の入力値をISよりも高く設定すると、環境温度が高いほど基準電圧が高くなる。
一方、圧力検知素子2を収容するハウジング15は、環境温度に応じて伸縮する。この伸縮は、圧力検知部20の予荷重に対する抜重又は荷重として作用する。環境温度の変化が圧力検知部20に対して抜重として作用するのか、荷重として作用するのかは、ハウジング15の固定方法、シール方法、圧力検知部20の収容方法等によって変わってくる。このため、環境温度と圧力検知部20に対する作用の関係、さらにはその程度について予め把握しておく。
そして、例えば、高温のときにハウジング15の温度特性が抜重となるときは、電圧測定手段6の出力値が大きくなるように供給電流の入力値を選択する。逆に高温のときにハウジング15の温度特性が荷重となるときは、電圧測定手段6の出力値が小さくなるように供給電流の入力値を選択する。
そして、例えば、高温のときにハウジング15の温度特性が抜重となるときは、電圧測定手段6の出力値が大きくなるように供給電流の入力値を選択する。逆に高温のときにハウジング15の温度特性が荷重となるときは、電圧測定手段6の出力値が小さくなるように供給電流の入力値を選択する。
すなわち、ECU7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得し、このハウジング15の状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺するように圧力検知素子2の供給電流の入力値を選択する。
さらにいえば、ECU7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得し、この取得したハウジングの状態が圧力測定値を増大させるときに、圧力検知素子2の出力を減少させるように圧力検知素子2へ供給される供給電流の入力値を選択する。
また、ECU7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得し、この取得したハウジング15の状態が圧力測定値を減少させるときに、圧力検知素子2の出力を増大させるように圧力検知素子2へ供給される供給電流の入力値を選択する。
さらにいえば、ECU7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得し、この取得したハウジングの状態が圧力測定値を増大させるときに、圧力検知素子2の出力を減少させるように圧力検知素子2へ供給される供給電流の入力値を選択する。
また、ECU7は、ハウジング15の温度特性に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得し、この取得したハウジング15の状態が圧力測定値を減少させるときに、圧力検知素子2の出力を増大させるように圧力検知素子2へ供給される供給電流の入力値を選択する。
以下、圧力測定装置1による圧力測定の例について説明する。まず、圧力検知素子2をハウジング15に収容する際のパッケージングについて説明する。ハウジング15は、常温(TWL)のときに、ハウジング15の側壁において受圧面15a2から密封端子24の先端面24bまでの距離Lhと、受圧部20を通過する受圧面15a2から密封端子24の先端面24bまでの距離Lsとが等しくなるようにセッティングしておく。すなわち、常温(TWL)のときにLh=Lsとしておく。
≪ハウジング15の温度特性が温度上昇で抜重となる場合≫
距離Lhと距離Lsとの関係が、環境温度が常温(TWL)よりも上昇したときにLh>Lsとなって抜重となる場合について説明する。
距離Lhと距離Lsとの関係が、環境温度が常温(TWL)よりも上昇したときにLh>Lsとなって抜重となる場合について説明する。
ECU7は、以下の方針に従って圧力測定装置1による圧力測定を行う。
(1)環境温度が常温(TWL)のときには、ハウジング15による荷重又は抜重は生じないので、供給電流の電流値としてISを選定する。
(2)環境温度が中温(TWS)や、高温(TWH)のときは、ハウジング15の抜重により低下した分の出力値を相殺するように高い基準電圧となる供給電流の電流値IHを選定する。
(1)環境温度が常温(TWL)のときには、ハウジング15による荷重又は抜重は生じないので、供給電流の電流値としてISを選定する。
(2)環境温度が中温(TWS)や、高温(TWH)のときは、ハウジング15の抜重により低下した分の出力値を相殺するように高い基準電圧となる供給電流の電流値IHを選定する。
次に、ECU7が行う制御について図6に示したフロー図を参照しつつ説明する。まず、ステップS1において、水温計8によって測定された水温を環境温度として取得する。ECU7はステップS1の処理に引き続きステップS2の処理を行う。ステップS2では、図7に示したマップを参照して供給電流の入力値を選定する。
マップは、以下の要領で作成されている。まず、水温(環境温度)によるハウジング15の伸縮により圧力がどの程度の影響を受けているのかを把握する。例えば、水温が中温(TWS)であるときに、ハウジング15の温度特性により圧力PS分の抜重となる(図7中、−PSと表記)とき、この圧力PS分に相当する電圧値を求める。そして、常温時(TWL)の電圧値VHLと中温時(TWS)の電圧値VHSとの差が圧力PS分に相当する電圧値となる電流値IHを定める。
また、例えば、水温が高温(TWH)であるときに、ハウジング15の温度特性により圧力PH分の抜重となる(図7中、−PHと表記)場合、この圧力PH分に相当する電圧値を求める。そして、常温時(TWL)の電圧値VHLと高温時(TWH)の電圧値VHHとの差が圧力PH分に相当する電圧値となる電流値IHを定める。
マップは、このような要領で作成されている。なお、マップは、温度の連続的な変化に対応させて供給電流の入力値を連続的に選定できる。
ステップS1で取得した水温が常温(TWL)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化はみられないものと推定し、供給電流の入力値としてISを選定する。そして、ステップS3に進み、入力値ISに対応する電圧値VSを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VSからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
ステップS1で取得した水温が中温(TWS)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化がみられると推定し、供給電流の入力値としてIHを選定する。そして、ステップS3に進み、入力値IHに対応する電圧値VHSを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VHSからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
ステップS1で取得した水温が高温(TWH)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化がみられると推定し、供給電流の電流値としてIHを選定する。そして、ステップS3に進み、電流値IHに対応する電圧値VHHを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VHHからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
図8は、水温と供給電流の入力値の推移を示すグラフである。エンジン始動時の低温(常温)時にはハウジング15の温度特性に起因する収縮は比較的小さいが、暖機の進行に伴ってその影響が大きくなる。このため、エンジン始動直後は圧力検知素子2の温度特性が安定している領域、すなわち、入力値ISを使用し、水温が上昇し、圧力検知素子2の温度が上昇するに連れてハウジング15の収縮の影響を相殺することができる領域の入力値に制御する。図8に示すように温度上昇に伴って、ハウジング15の収縮が抜重に作用するときは、供給電流の入力値を上昇させていく。
≪ハウジング15の温度特性が温度上昇で荷重となる場合≫
距離Lhと距離Lsとの関係が、環境温度が常温(TWL)よりも上昇したときにLs>Lhとなって荷重となる場合について説明する。
距離Lhと距離Lsとの関係が、環境温度が常温(TWL)よりも上昇したときにLs>Lhとなって荷重となる場合について説明する。
ECU7は、以下の方針に従って圧力測定装置1による圧力測定を行う。
(3)環境温度が常温(TWL)のときには、ハウジング15による荷重又は抜重は生じないので、供給電流の電流値としてISを選定する。
(4)環境温度が中温(TWS)や、高温(TWH)のときは、ハウジング15の荷重により増大した分の出力値を相殺するように低い基準電圧となる供給電流の電流値ILを選定する。
(3)環境温度が常温(TWL)のときには、ハウジング15による荷重又は抜重は生じないので、供給電流の電流値としてISを選定する。
(4)環境温度が中温(TWS)や、高温(TWH)のときは、ハウジング15の荷重により増大した分の出力値を相殺するように低い基準電圧となる供給電流の電流値ILを選定する。
次に、ECU7が行う制御について図6に示したフロー図を参照しつつ説明する。まず、ステップS1において、水温計8によって測定された水温を環境温度として取得する。ECU7はステップS1の処理に引き続きステップS2の処理を行う。ステップS2では、図9に示したマップを参照して供給電流の入力値を選定する。
マップは、以下の要領で作成されている。まず、水温(環境温度)によるハウジング15の伸縮により圧力がどの程度の影響を受けているのかを把握する。例えば、水温が中温(TWS)であるとき、ハウジング15の温度特性により圧力PS分の荷重となる(図9中、+PSと表記)とき、この圧力PHS分に相当する電圧値を求める。そして、常温時(TWL)の電圧値VLLと中温時(TWS)の電圧値VLSとの差が圧力PS分に相当する電圧値となる入力値ILを定める。
また、例えば、水温が高温(TWH)であるとき、ハウジング15の温度特性により圧力PH分の荷重となる(図9中、+PHと表記)とき、この圧力PH分に相当する電圧値を求める。そして、常温時(TWL)の電圧値VLLと高温時(TWH)の電圧値VLHとの差が圧力PH分に相当する電圧値となる入力値ILを定める。
マップは、このような要領で作成されている。なお、マップは、温度の連続的な変化に対応させて供給電流の入力値を連続的に選定できる。
ステップS1で取得した水温が常温(TWL)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化はみられないものと推定し、供給電流の入力値としてISを選定する。そして、ステップS3に進み、入力値ISに対応する電圧値VSを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VSからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
ステップS1で取得した水温が中温(TWS)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化がみられると推定し、供給電流の入力値としてILを選定する。そして、ステップS3に進み、入力値ILに対応する電圧値VLSを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VLSからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
ステップS1で取得した水温が高温(TWH)であるときは、ハウジング15の温度特性による状態の変化がみられると推定し、供給電流の入力値としてILを選定する。そして、ステップS3に進み、入力値ILに対応する電圧値VLHを基準電圧として、電圧測定手段6による電圧の測定を行う。そして、出力された電圧値の基準電圧VLHからの上昇分を算出し、圧力値を求める(ステップS4)。
図10は、水温と供給電流の入力値の推移を示すグラフである。エンジン始動時の低温(常温)時にはハウジング15の温度特性に起因する収縮は比較的小さいが、暖機の進行に伴ってその影響が大きくなる。このため、エンジン始動直後は圧力検知素子2の温度特性が安定している領域、すなわち、入力値ISを使用し、水温が上昇し、圧力検知素子2の温度が上昇するに連れてハウジング15の収縮の影響を相殺することができる領域の入力値に制御する。図10に示すように温度上昇に伴って、ハウジング15の収縮が荷重に作用するときは、供給電流の入力値を下降させていく。
以上のように供給電流の入力値を選択することにより、ハウジング15の温度特性を折り込んだ測定値を出力することができる。
圧力測定装置1による圧力測定時の制御のイメージは、図11のように示すこともできる。図11中、破線はハウジング15の温度特性、点線は圧力検知素子2の温度特性、実線はハウジング15と圧力検知素子2を併せた総合の温度特性を示している。この総合の温度特性は、本実施例の圧力測定装置1の温度特性ということができる。
図11中、(A)は、ハウジング15の温度特性が、水温の上昇に伴って抜重となり出力を低下させるように作用する場合の水温と水温変化に伴う出力変化の関係を示している。このような場合、供給電流として入力値IHを選択する。入力値IHを選択することによって、圧力検知素子2に、水温の上昇に伴って基準電圧が上昇する温度特性を持たせることができる。このような圧力検知素子2の温度特性によりハウジング15の温度特性を相殺することができる。これにより、総合の温度特性は、水温の変化にかかわらず一定とすることができる。
図11中、(B)は、ハウジング15の温度特性が、水温の上昇に伴って荷重となり出力を上昇させるように作用する場合の水温と水温変化に伴う出力変化の関係を示している。このような場合、供給電流として入力値ILを選択する。入力値ILを選択することによって、圧力検知素子2に、水温の上昇に伴って基準電圧が低下する温度特性を持たせることができる。このような圧力検知素子2の温度特性によりハウジング15の温度特性を相殺することができる。これにより、総合の温度特性は、水温の変化にかかわらず一定とすることができる。
なお、水温が常温(TWL)であるときは、Lh=Lsである。このようにハウジング15が伸縮せず、出力に影響を及ばさないときは、供給電流の入力値としてISを選択する。
以上のような制御を行うことにより、常温〜高温まで温度によるドリフトを抑制し、精度の高い圧力測定を行うことができる。
次に、実施例2について、図12乃至図14を参照しつつ説明する。図12は、実施例2の圧力測定装置100の概略構成を示すブロック図である。図12に示すように、実施例2の圧力測定装置100は、実施例1の圧力測定装置1と異なり、水温計8が廃止されている。すなわち、実施例1では、水温計8から温度情報を取得し、この温度情報に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得していたが、実施例2では、水温計8を用いることなく、ハウジング15の状態を把握する。具体的には、ECU7が、圧力検知素子2より圧力情報を取得し、この圧力情報に基づいてハウジング15の状態に関する情報を取得する。そして、これに基づいて供給電流入力値を調節する。ハウジング15の状態は、環境温度に基づいて変化し、そのハウジング15の状態の変化が圧力検知素子2の測定値、すなわち、圧力情報に影響を与える。このため、圧力検知素子2の測定値に変化があれば、環境温度が変化し、ハウジング15の状態が変化していると判断することができる。実施例2では、この現象を利用して、供給電流入力値を調節して、ハウジング15の状態が圧力測定値に与える影響を相殺することができる適切な基準電圧に近づける学習制御を行う。
なお、他の構成は、実施例1の圧力測定装置1と異なるところがないので、共通する構成要素については図面中、同一の参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。圧力測定装置100がハウジング15内に収容された圧力検知素子2を備えている点も共通する。
以下、実施例2の圧力測定装置100による圧力の測定につき、説明する。図13に示したフロー図を参照しつつ説明する。
まず、ECU7は、ステップS11において初期値を設定する。初期値として設定されるのは、供給電流入力値であり、Is1=Isと設定される。このため、ハウジング15に伸縮が生じておらず、予荷重のみが加わった状態であれば基準電圧であるVsが出力されるはずである。ステップS11では、このVsを初期基準電圧Vs1として設定し、以下の処理を行う。
ステップS12では、実際にIs1の電流を圧力検知素子2に供給し、圧力情報となる電圧値Vs2を電圧測定手段6の出力として取得する。ここで、Is1の電流の供給は、圧力変動の下限値が変化したと判断されるタイミングで行う。
ECU7は、電圧測定手段6の出力を連続的にモニタリングし、測定値の変化を監視している。図14(A)、図14(B)は、圧力検知素子2による圧力の測定値の変移を示すグラフである。圧力検知素子2による圧力の測定値は、ほぼ一定の下限値を維持して周期的に変化しているが、その下限値がΔP以上変動する場合がある。これは、圧力測定装置100の環境温度の変化に伴って、ハウジング15が伸縮することに起因していると考えられる。すなわち、このように圧力情報に基づいてハウジング15の状態を把握することができる。ハウジング15の温度特性が温度上昇によって荷重となる場合は、エンジンが稼動し、環境温度が上昇するような状態で図14(A)に示すような波形が観測されると考えられる。一方、ハウジング15の温度特性が温度上昇によって抜重となる場合は、エンジンが稼動し、環境温度が上昇するような状態で図14(B)に示すような波形が観察されると考えられる。
このようにハウジング15の状態が圧力測定に影響を及ぼすようになってきたら、以下の処置により、供給電流入力値を制御してハウジング15の状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺する。
ECU7は、電圧測定手段6の出力を連続的にモニタリングし、測定値の変化を監視している。図14(A)、図14(B)は、圧力検知素子2による圧力の測定値の変移を示すグラフである。圧力検知素子2による圧力の測定値は、ほぼ一定の下限値を維持して周期的に変化しているが、その下限値がΔP以上変動する場合がある。これは、圧力測定装置100の環境温度の変化に伴って、ハウジング15が伸縮することに起因していると考えられる。すなわち、このように圧力情報に基づいてハウジング15の状態を把握することができる。ハウジング15の温度特性が温度上昇によって荷重となる場合は、エンジンが稼動し、環境温度が上昇するような状態で図14(A)に示すような波形が観測されると考えられる。一方、ハウジング15の温度特性が温度上昇によって抜重となる場合は、エンジンが稼動し、環境温度が上昇するような状態で図14(B)に示すような波形が観察されると考えられる。
このようにハウジング15の状態が圧力測定に影響を及ぼすようになってきたら、以下の処置により、供給電流入力値を制御してハウジング15の状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺する。
なお、下限値が変動したことの判断基準となるΔPは任意に設定することができる。また、供給電流Is1の供給は、圧力が印加されていないと判断されるタイミングにおいて行うようにすることもできる。圧力測定装置100は、燃焼圧センサとして用いられるため、例えば、燃焼室内が大気圧状態とみなせるクランク角となるタイミングを指定し、このタイミングでIs1の電流の供給を行うことができる。このように予荷重以外の圧力が加わらない状態でIs1を供給すると、初期の状態でIs1=Isであるから、電圧測定手段6により出力されるのは、基準電圧であるVsとなるはずである。これにもかかわらず電圧測定手段6が異なる出力を行ったときは、環境温度が変化し、これに伴ってハウジング15の状態が変化していると考えられる。このようにしてもハウジングの状態を把握することができ、この現象を利用して供給電流の入力値を調節することも可能である。
ステップS12において基準電圧Vs2を取得したら、ステップS13へ進む。ステップS13では、基準電圧Vs2に対応する圧力値を算出する。ただし、この段階における測定値は、ハウジング15の状態を考慮した補正の必要性が判断されていない仮の測定値である。
ECU7は、ステップ13の処理を終えるとステップS14へ進む。ステップS14では、初期の基準電圧として設定したVs1と測定されたVs2とが等しいか否かの判断が行われる。このステップS14でYesと判断された場合、すなわち、Vs2=Vs1と判断した場合は、処理は終了する(エンド)。Vs1と等しいVs2が出力されたときは、Is1に対応する基準電圧がそのまま出力されたことになる。これは、ハウジング15の状態が圧力測定値に影響を及ぼしていないことを意味している。そのため、Is1の調節は不要となる。また、ステップS12で算出した圧力測定値の補正は不要であり、算出した値がそのまま測定圧力値として採用される。
一方、ステップS14でNoと判断したとき、すなわち、Vs2≠Vs1と判断した場合は、ステップS15へ進む。ステップS15では、供給電流入力値の補正を行う。ここで、供給電流入力値の補正は、以下の方針で行う。
Vs2−Vs1<0となるとき、例えば、ハウジング15の温度特性が温度上昇で抜重となる場合であれば、供給電流入力値Is1を増加させ、新たなIs1とする。
例えば、Is1←Is1+α(α>0)
とする。
一方、Vs2−Vs1>0となるとき、例えば、ハウジング15の温度特性が温度上昇で荷重となる場合であれば、供給電流入力値Is1を減少させ、新たなIs1とする。
例えば、Is1←Is1−α(α>0)
とする。
Vs2−Vs1<0となるとき、例えば、ハウジング15の温度特性が温度上昇で抜重となる場合であれば、供給電流入力値Is1を増加させ、新たなIs1とする。
例えば、Is1←Is1+α(α>0)
とする。
一方、Vs2−Vs1>0となるとき、例えば、ハウジング15の温度特性が温度上昇で荷重となる場合であれば、供給電流入力値Is1を減少させ、新たなIs1とする。
例えば、Is1←Is1−α(α>0)
とする。
ECU7はステップS15に引き続き行われるステップS16において、ステップS12で取得したVs2を新たな初期基準電圧として設定する。すなわち、
Vs1=Vs2
とする。
Vs1=Vs2
とする。
ステップS15の処理を終えた後は、ステップS12以降の処理を繰り返す。このような学習制御を行うことにより、温度計8を用いることなく、環境温度によるドリフトや初期状態のバラツキを抑えつつ、徐々に最適な供給電流入力値2近づけることができる。この結果、ハウジング15の状態に左右されない適切な圧力測定を行うことができる。
上述した実施例は本発明の好適な実施の例である。但し、これに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施可能である。
上記実施例では、常温(TWL)のときにLh=Lsとなるようにハウジング15のパッケージングを行っているが、例えば、中温(TWS)のときにLh=Lsとなるようにハウジング15のパッケージングを行い、この中温(TWS)を基準として、常温(TWL)側で抜重又は荷重となるようにし、高温(TWH)側で抜重又は荷重となるようにしてもよい。
上記実施例では、常温(TWL)のときにLh=Lsとなるようにハウジング15のパッケージングを行っているが、例えば、中温(TWS)のときにLh=Lsとなるようにハウジング15のパッケージングを行い、この中温(TWS)を基準として、常温(TWL)側で抜重又は荷重となるようにし、高温(TWH)側で抜重又は荷重となるようにしてもよい。
1,100…圧力測定装置 2…圧力検知素子
3…ピエゾ抵抗素子 4…補償用ダイオード
5…電流供給手段 6…電圧測定手段
7…ECU 8…水温計
15…ハウジング 15a1…力伝達部
15a2…受圧面 20…受圧部
3…ピエゾ抵抗素子 4…補償用ダイオード
5…電流供給手段 6…電圧測定手段
7…ECU 8…水温計
15…ハウジング 15a1…力伝達部
15a2…受圧面 20…受圧部
Claims (8)
- 電流供給手段と、
当該電流供給手段により供給電流が供給され、圧力の検出を行う圧力検知素子と、
当該圧力検知素子を収容するハウジングと、
測定圧力に応じた出力を行う出力手段と、
前記ハウジングの温度特性に応じて、圧力検知時の前記供給電流の入力値を選択する制御部と、
を備えたことを特徴とした圧力測定装置。 - 前記制御部は、前記ハウジングの温度特性に基づいて当該ハウジングの状態に関する情報を取得し、当該ハウジングの状態が圧力測定値に及ぼす影響を相殺するように前記圧力検知素子へ供給される前記供給電流の入力値を選択することを特徴とした請求項1記載の圧力測定装置。
- 前記制御部は、前記ハウジングの温度特性に基づいて当該ハウジングの状態に関する情報を取得し、当該取得したハウジングの状態が圧力測定値を増大させるときに、前記圧力検知素子の出力を減少させるように前記圧力検知素子へ供給される前記供給電流の入力値を選択することを特徴とした請求項1記載の圧力測定装置。
- 前記制御部は、前記ハウジングの温度特性に基づいて当該ハウジングの状態に関する情報を取得し、当該取得したハウジングの状態が圧力測定値を減少させるときに、前記圧力検知素子の出力を増大させるように前記圧力検知素子へ供給される前記供給電流の入力値を選択することを特徴とした請求項1記載の圧力測定装置。
- 前記制御部は、エンジンに装着される水温計から温度情報を取得し、当該温度情報に基づいて前記ハウジングの状態に関する情報を取得することを特徴とした請求項2乃至4のいずれか一項記載の圧力測定装置。
- 前記制御部は、前記圧力検知素子より取得した圧力情報に基づいて前記ハウジングの状態に関する情報を取得することを特徴とした請求項2乃至4のいずれか一項記載の圧力測定装置。
- 前記制御部は、圧力変動の下限値が変化したと判断されるタイミング、又は、圧力が印加されていないと判断されるタイミングにおいて前記圧力検知素子より取得した圧力情報に基づいて前記ハウジングの状態に関する情報を取得することを特徴とした請求項2乃至4のいずれか一項記載の圧力測定装置。
- 前記圧力検知素子は、前記電流供給手段に接続されており、単ゲージ抵抗を形成するピエゾ抵抗素子とそのピエゾ抵抗素子に直列に接続されている補償用ダイオードを有する直列回路を形成し、
前記出力手段は、前記直列回路の両端間の電圧を測定する電圧測定手段であり、
前記単ゲージ抵抗は、作用する応力によって抵抗値が変化するピエゾ抵抗効果を有するとともに、その抵抗値が温度上昇に依存して上昇する正の温度特性を有しており、
前記補償用ダイオードは、前記電流供給手段に対して順方向に設けられており、そのアノード・カソード間電圧が温度上昇に依存して低下する負の温度特性を有していることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一項記載の圧力測定装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008260191A JP2010091352A (ja) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 圧力測定装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008260191A JP2010091352A (ja) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 圧力測定装置 |
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JP2010091352A true JP2010091352A (ja) | 2010-04-22 |
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Family Applications (1)
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JP2008260191A Pending JP2010091352A (ja) | 2008-10-07 | 2008-10-07 | 圧力測定装置 |
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JP (1) | JP2010091352A (ja) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2008
- 2008-10-07 JP JP2008260191A patent/JP2010091352A/ja active Pending
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