JP2011007707A - 圧力センサの異常診断装置 - Google Patents

Abstract

【課題】使用時にボディアースとなる圧力センサにおいて、断線等の異常をより正確に診断可能な異常診断装置を提供する。
【解決手段】異常診断装置１は、圧電素子２０４と、板パッキン２０３，電極板２０５とを備え、チャージアンプ８により電極板２０５から燃焼室内の圧力に応じた信号を取り出す圧力センサ２０１であり、使用時に板パッキン２０３が内燃機関のアースに接続されるもの等に用いられる。異常診断装置１は、交流信号出力用の信号生成手段３と、故障診断タイミングで圧力センサ２０１及びチャージアンプ８又は信号生成手段３間を電気的に接続・遮断するスイッチ手段２と、信号生成手段３から圧力センサ２０１への入力電流を測定する電流検知手段４と、前記電流値から得られる板パッキン２０３，電極板２０５間の静電容量に基づき圧力センサ２０１の断線等を判定する判定手段５とを備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、圧力センサにおける異常を診断するための装置に関する。

従来、例えば、ノッキング検出、燃焼圧のピーク位置検出、失火検出等を行うべく、内燃機関の筒内圧を検出するための圧力センサが用いられている。圧力センサは、例えば、金属製のケーシング内に、圧力検出素子としての圧電素子と、圧電素子の端面に積載されるとともに、信号出力用のリード線が接続されてなる電極板と、電極板及びケーシング間の通電を防止するための絶縁体と、電極板との間で圧電素子を挟むようにして配設される金属製の板パッキンとを備えて構成されている（例えば、特許文献１等参照）。

ここで、筒内圧の検出は、例えば、次のようにして行われる。すなわち、圧力センサが、所定の荷重が加えられた状態で、スパークプラグ等の座面と内燃機関のエンジンヘッドとの間に配置される。そして、筒内圧が上昇したときには、圧電素子に加わる荷重が変化し、この荷重の変化に伴い圧電素子の表面に電荷が生じる。この電荷は前記リード線を通して出力され、電荷出力はチャージアンプによって電圧波形に変換される。次いで、変換された電圧波形が内燃機関の制御装置（ＥＣＵ）に伝送されるとともに、ＥＣＵにより、電圧波形に基づいた筒内圧が検出される。

ところで、内燃機関の筒内圧を正確に検出するためには、圧力センサに断線等の異常が生じていないことが必要である。そこで、一般的にＥＣＵに設けられる車載式故障検知システム（ＯＢＤ）を用い、チャージアンプから出力される電圧波形に基づいて、圧力センサにおける異常の有無を診断する方法が考えられる。具体的には、圧力センサが正常に動作している時における出力波形の振幅の範囲（例えば、０．５Ｖ〜４．５Ｖ）を予め設定しておき、出力された電圧波形が前記範囲を外れた場合に、圧力センサに異常が発生しているものと診断する手法が考えられる。

ところが、一般的にチャージアンプは、圧力センサからの出力がない場合には、所定の電圧値（例えば、１Ｖ）をＥＣＵに対して出力するようになっている。従って、圧力センサに異常が発生していても、チャージアンプからの出力電圧は前記範囲内となってしまうため、上記手法を用いての圧力センサの異常検出は非常に困難である。従って、圧力センサの異常を検出するためには、チャージアンプを介することなく、圧力センサに対して直接的に接続される異常診断装置を設ける必要がある。

ここで、このような圧力センサの異常診断装置としては、例えば、圧力センサが静電容量を有することを利用した次の装置が提案されている。すなわち、圧力センサ及びチャージアンプ間にスイッチ手段を設けるとともに、交流信号を生成・出力する電圧供給源を設ける。そして、所定のタイミングで前記スイッチ手段を切替えて電圧供給源からの交流信号を圧力センサに供給するとともに、圧力センサからの出力電圧を測定する。このとき、圧力センサに断線等の異常が生じていれば、圧力センサの静電容量が変化することから、圧力センサからの出力電圧にも変化が生じる。従って、この出力電圧の変化に基づいて、センサの異常を診断することができる（例えば、特許文献２等参照）。

特開２００６−３０７８３５号公報 特開２００６−１２６０９５号公報

しかしながら、筒内圧を検出するための圧力センサは、使用時において、エンジンヘッドと接触するように配置され、エンジンヘッド側がアース（いわゆる、ボディアース）となる構成となっている。ここで、上記特許文献２の手法は、出力電圧を測定する必要があることから、使用時においてボディアースとなる圧力センサに対しては適用することができない。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、使用時にボディアースとなる圧力センサにおいて、断線等の異常をより正確に診断可能な異常診断装置を提供することにある。

以下、上記目的を解決するのに適した各構成につき、項分けして説明する。なお、必要に応じて対応する構成に特有の作用効果を付記する。

構成１．本構成の圧力センサの異常診断装置は、絶縁性の圧電素子と、前記圧電素子を挟んで対向し、互いに絶縁状態にある２つの電極とを備えるとともに、使用時において、チャージアンプにより前記２つの電極のうち一方の電極から内燃機関の燃焼室内の圧力変動に応じた信号を取り出し、前記２つの電極のうち他方の電極が内燃機関のアースに接続される圧力センサの異常診断装置であって、
交流信号を出力する信号生成手段と、
所定の故障診断タイミングにおいて、前記圧力センサ及び前記チャージアンプ間の電気的接続を遮断する一方で、前記圧力センサ及び前記信号生成手段間を電気的に接続するスイッチ手段と、
前記信号生成手段から前記圧力センサに入力される電流値を測定する電流検知手段と、
前記電流値から得られる前記両電極間の静電容量に基づいて前記圧力センサの断線又は短絡を判定する判定手段と
を備えることを特徴とする。

尚、「所定の故障診断タイミング」とあるのは、例えば、燃焼状態を検知することが特に必要なとき（例えば、混合気の圧縮時や爆発時）以外のタイミングや、内燃機関の燃料カット時等を挙げることができる。

上記構成１によれば、所定の故障診断タイミングにおいて、信号生成手段から圧力センサに入力される電流値が測定され、当該電流値から得られる両電極間の静電容量に基づいて圧力センサの断線や短絡が判定される。すなわち、本構成１においては、圧力センサからの出力電圧ではなく、圧力センサへの入力電流により得られた圧力センサの静電容量に基づいて異常診断が行われる。従って、使用時においてボディアースとなる圧力センサであっても、その静電容量を正確に得ることができ、ひいては圧力センサにおける断線や短絡の有無をより正確に診断することができる。

構成２．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成１において、前記所定の故障診断タイミングは、前記燃焼室内の燃焼状態を検知するとき以外のタイミングであることを特徴とする。

上記構成２によれば、燃焼状態を検知することが特に必要なとき（例えば、混合気の圧縮時や爆発時）以外のタイミングで、圧力センサ及び信号生成手段間が電気的に接続され、そのときに得られた静電容量に基づいて圧力センサにおける異常の有無が診断される。換言すれば、燃焼圧の検知が必要なタイミングでは、圧力センサ及びチャージアンプ間は電気的に接続されており、燃焼圧が検知されることとなる。従って、異常診断装置を設けたことにより、圧力センサを設けた意義が損なわれてしまうといった事態をより確実に防止することができる。

構成３．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成１又は２において、前記信号生成手段により１秒間当たりに出力される交流信号の数を、前記内燃機関の１秒間当たりの回転数の１０倍以上としたことを特徴とする。

上記構成３によれば、信号生成手段により１秒間当たりに生成される交流信号の数が、内燃機関の１秒間当たりの回転数の１０倍以上と十分に多いものとされている。従って、例えば、燃焼サイクル（吸気、圧縮、爆発、排気）中における前記所定の故障診断タイミングのみにおいて、圧力センサへの入力電流を測定した場合であっても、複数周期分（例えば、５周期分以上）の静電容量に基づく波形をより確実に得ることができる。そのため、少数の波形に基づいて圧力センサの異常を診断する際には、点火ノイズの影響に伴う誤判定の発生が懸念されるところであるが、本構成３によれば、より多くの周期分の波形に基づいて圧力センサの異常診断がなされるため、誤判定の発生をより確実に抑制することができる。

構成４．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成１乃至３のいずれかにおいて、前記所定の故障診断タイミングは、前記内燃機関の燃料カット時であることを特徴とする。

尚、「燃料カット時」とは、例えば、長い坂道を下っている際のエンジンブレーキがかかっている状態等、燃料の噴射間隔がアイドリング時における燃料噴射の間隔を超えているときをいう。

上記構成４によれば、内燃機関の燃料カット時に、圧力センサ及び信号生成手段間が電気的に接続され、そのときに得られた静電容量に基づいて圧力センサにおける異常の有無が診断される。これにより、異常診断装置を設けたことに伴い、燃焼状態を検知すべきタイミングにおいて燃焼圧の検知を行えないといった事態を防止することができる。

構成５．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成１乃至４のいずれかにおいて、前記判定手段は、前記所定の故障診断タイミング中に得られた両電極間の静電容量に基づいた複数の波形のうち、所定の平均化処理回数と等しい周期数の分だけ前記波形を取り込んで平均化処理をするとともに、当該平均化処理して得られた平均化波形に基づいて前記圧力センサの断線又は短絡を判定することを特徴とする。

上記構成５によれば、圧力センサの静電容量に基づいた複数の波形に対して平均化処理が行われ、当該平均化処理により得られた平均化波形に基づいて圧力センサの断線又は短絡が判定される。このため、点火ノイズの影響をより一層抑制することができ、圧力センサにおける異常の有無を一層精度よく診断することができる。

構成６．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成５において、前記所定の平均化処理回数は、前記信号生成手段により出力される交流信号の周波数（ｋＨｚ）に１０ｍｓを乗算して得た値以下であることを特徴とする。

上述した平均化処理回数を多くすることによって、平均化波形における点火ノイズの影響をより確実に排除することができるが、一方で、平均化処理回数を増加させれば、判定手段の処理負担が増大してしまう。これに対して、処理負担の増大に対応すべく、処理能力に優れた判定手段を用いることとしてもよいが、この場合には、製造コストの増大を招いてしまう。

この点、上記構成６によれば、前記平均化処理回数は、交流信号の周波数（１ｍｓ当たりに出力される交流信号の数）に１０ｍｓを乗算して得た値が上限とされている。従って、点火ノイズの影響をより確実に抑制しつつ、判定手段による処理負担の増大を防止することができる。また、判定手段として処理能力に優れたものを用いる必要がなくなるため、製造コストの増大抑制を図ることができる。

構成７．本構成の圧力センサの異常診断装置は、上記構成１乃至６のいずれかにおいて、前記判定手段は、両電極間の静電容量が予め設定された閾値未満であるときに、前記圧力センサに短絡が生じている、又は、前記圧力センサに断線が発生しているものと判定することを特徴とする。

上記構成７によれば、両電極間の静電容量が予め設定された閾値未満であるときに、圧力センサに短絡又は断線が発生しているものと判定される。このため、圧力センサの異常診断を一層精度よく、かつ、効率的に行うことができる。

使用状態における圧力センサや、圧力センサをエンジンヘッドとの間で挟み込むスパークプラグの構成を示すための一部破断正面図である。 圧力センサの構成を示す断面図である。 圧力計測装置及び異常診断装置の概略構成を示すためのブロック図である。 異常診断装置の構成を示すためのブロック図である。 異常診断装置による異常診断の手法を説明するためのフローチャートである。 他の実施形態における圧力センサを示す一部破断正面図である。 他の実施形態における圧力センサの構成を示す部分拡大断面図である。

以下に、一実施形態について図面を参照しつつ説明する。まず、図１及び図２を参照しつつ、圧力センサ２０１の使用時において、内燃機関のエンジンヘッド１２１との間で前記圧力センサ２０１を挟み込むスパークプラグ１０１、及び、後述する異常診断装置１による異常診断の対象となる圧力センサ２０１の構成について説明する。なお、図１では、スパークプラグ１の軸線ＣＬ１方向を図面における上下方向とし、下側をスパークプラグ１の先端側、上側を後端側として説明する。

スパークプラグ１０１は、筒状をなし、アルミナ等を焼成して形成された絶縁碍子１０２、これを保持する筒状の主体金具１０３などから構成されるものである。

絶縁碍子１０２には、軸線ＣＬ１に沿って軸孔１０４が貫通形成されており、当該軸孔１０４の先端側には中心電極１０５が挿入、固定されている。また、軸孔１０４の後端側には、絶縁碍子１０２の後端から突出した状態で、端子電極１０６が挿入、固定されている。

前記主体金具１０３は、低炭素鋼等の金属により筒状に形成されており、その外周面にはスパークプラグ１０１を前記エンジンヘッド１２１の取付孔１２２に取付けるためのねじ部（雄ねじ部）１０７が形成されている。また、ねじ部１０７の後端側の外周面には座部１０８が形成され、ねじ部１０７後端のねじ首にはリング状のガスケット１０９が嵌め込まれている。

また、主体金具１０３の先端部には、先端部が中心電極１０５の先端と対向する接地電極１１０が接合されている。そして、両電極１０５，１１０の間には、火花放電間隙１１１が形成されており、当該火花放電間隙１１１において、前記軸線ＣＬ１にほぼ沿った方向で火花放電が行われる。

尚、上記のように構成されてなるスパークプラグ１０１は、前記ねじ部１０７が前記取付孔１２２に螺合されることにより内燃機関に取付けられる。このとき、前記ガスケット１０９及びエンジンヘッド１２１の間に圧力センサ２０１が介在された状態で、スパークプラグ１０１が取付けられる。次に、図２を参照しつつ、圧力センサ２０１の構成について説明する。

圧力センサ２０１は、内燃機関の筒内圧を検知するためのものであり、軸線ＣＬ２を中心軸とする環状空間を内部に有してなる金属製（例えば、ＳＵＳ等）のケーシング２０２を備えている。また、圧力センサ２０１は、前記ケーシング２０２内に収納され、それぞれが前記軸線ＣＬ２を中心軸として環状をなす板パッキン２０３と、圧電素子２０４と、電極板２０５と、絶縁板２０６とを備えている。

前記板パッキン２０３は、所定の金属材料（例えば、ＳＵＳ等）によって形成されており、前記ケーシング２０２の底壁部２０２Ａ（使用時において前記エンジンヘッド１２１側に配置される部位）の内側面に、自身の一端面が面接触するようにして配設されている。加えて、前記圧電素子２０４は、所定の絶縁性セラミック材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸鉛等）によって形成されている。また、圧電素子２０４は、前記板パッキン２０３に積み重なるように配置され、板パッキン２０３の他端面と面接触している。尚、前記板パッキン２０３が、本発明における「他方の電極」に相当する。

加えて、前記電極板２０５は、前記板パッキン２０３との間で圧電素子２０４を挟み込むようにして配置されており、板パッキン２０３、圧電素子２０４、及び、電極板２０５によってコンデンサが構成されている。さらに、電極板２０５の外周部分に対しては、周囲が絶縁性材料で被覆されたリード線２０７が電気的に接続されている。また、前記絶縁板２０６は、ケーシング２０２及び電極板２０５間を絶縁状態とすべく、ケーシング２０２の上壁部（使用時において前記ガスケット１０９側に配置される部位）２０２Ｂと電極板２０５との間に介在されている。尚、前記電極板２０５が、本発明における「一方の電極」に相当する。

また、前記板パッキン２０３は、圧力センサ２０１の使用時において、ケーシング２０２を介して前記エンジンヘッド１２１に対して電気的に接続される（図１参照）。すなわち、本実施形態における圧力センサ２０１は、いわゆるボディアースとなる構成となっている。

さらに、圧力センサ２０１は、圧電素子２０４に対して軸線ＣＬ２方向に沿った予荷重が加えられた状態で取付けられる。そして、この予荷重が変化することによって圧電素子２０４の表面に電荷が生じ、電極板２０５及び前記リード線２０７を介して電荷信号が取出される。取出された電荷信号は、図３に示すように、電荷信号を電圧信号に変換するためのチャージアンプ８により電圧信号に変換されるとともに、当該電圧信号はＥＣＵ６に対して伝送される。また、ＥＣＵ６は前記電圧信号に基づいて筒内圧を計測する。すなわち、ＥＣＵ６、チャージアンプ８、及び、圧力センサ２０１によって、筒内圧を計測するための圧力計測装置９が構成されている。尚、ＥＣＵ６は、筒内圧を計測するだけでなく、内燃機関の燃焼タイミングの決定等、種々の制御・処理を行う装置である。

次いで、前記圧力センサ２０１の異常（断線又は短絡）を診断するための異常診断装置１について説明する。異常診断装置１は、スイッチ手段２と、信号生成手段３と、電流検知手段４と、判定手段５とを有する。

スイッチ手段２は、チャージアンプ８及び圧力センサ２０１間に配設されている。また、スイッチ手段２は、前記ＥＣＵ６により制御されており、チャージアンプ８と圧力センサ２０１との間を電気的に接続・遮断する一方で、圧力センサ２０１と信号生成手段３との間を電気的に遮断・接続するようになっている。尚、ＥＣＵ６は、内燃機関における１回の燃焼サイクルのうちの所定の故障診断タイミングで、スイッチ手段２の制御を行い、圧力センサ２０１と信号生成手段３とを電気的に接続する。詳述すると、ＥＣＵ６は、筒内圧の検知が特に必要なタイミング（例えば、混合気の圧縮時や爆発時）において、チャージアンプ８と圧力センサ２０１との間を電気的に接続するようにスイッチ手段２を制御する。一方で、燃焼サイクル中における前記タイミング以外のとき（例えば、給排気時）において、ＥＣＵ６は、圧力センサ２０１と信号生成手段３とを電気的に接続するようにスイッチ手段２を制御する。すなわち、本実施形態においては、例えば、給排気時など、圧縮・爆発時と比べて筒内圧の検知がそれほど必要とされないときが故障診断タイミングとなっている。

信号生成手段３は、前記ＥＣＵ６の内部に設けられた交流信号の生成・出力機能により実現されており、所定の交流信号を生成するとともに、ＥＣＵ６の信号出力用ポート６１から前記スイッチ手段２側へと交流信号を出力する。従って、信号生成手段３と圧力センサ２０１が電気的に接続される前記所定の故障診断タイミングにおいては、前記交流信号がスイッチ手段２やリード線２０７を介して圧力センサ２０１に対して入力されることとなる。尚、本実施形態において、前記交流信号の周波数は、内燃機関の回転数に基づいて、ＥＣＵ６により随時変更されるようになっている。より詳しくは、信号生成手段３が１秒間当たりに生成・出力する交流信号数が、内燃機関の１秒間当たりの回転数の１０倍以上（例えば、１００倍以上）となるように、交流信号の周波数（本実施形態では、１０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）が決定される。従って、前記所定の故障診断タイミング中に、複数の交流信号が圧力センサ２０１に対して入力されることとなる。

尚、信号生成手段３とスイッチ手段２との間には、オペアンプ１１が介在されており（図４参照）、ひいては圧力センサ２０１側から前記信号出力用ポート６１側へと電流が逆流してしまうことを防止できるようになっている。

電流検知手段４は、前記信号生成手段３及び圧力センサ２０１の間に接続されており、信号生成手段３から圧力センサ２０１へと供給される電流値に基づく電圧値（降下電圧）を計測するためのものである。詳述すると、電流検知手段４は、図４に示すように、電流検知用抵抗４２と、オペアンプ４３，４４，４５とを備えている。

電流検知用抵抗４２は、前記オペアンプ１１の出力端子と前記スイッチ手段２との間に配設され、両者を直列的に接続している。

また、前記オペアンプ４３は、その＋側入力端子が電流検知用抵抗４２の一端部（オペアンプ１１側）に対して接続される一方で、出力端子が前記オペアンプ４５の＋側入力端子に接続されている。また、オペアンプ４３の−側入力端子は、自身の出力端子とオペアンプ４５の＋側入力端子との間に接続されている。

加えて、オペアンプ４４は、その＋側入力端子が電流検知用抵抗４２の他端部（圧力センサ２０１側）に対して接続される一方で、出力端子が前記オペアンプ４５の−側入力端子に接続されている。また、オペアンプ４４の−側入力端子は、自身の出力端子とオペアンプ４５の−側入力端子との間に接続されている。すなわち、両オペアンプ４３，４４は、ボルテージフォロア回路を構成しており、高入力インピーダンスを低出力インピーダンスへとインピーダンス変換をするようになっている。

前記オペアンプ４５は、両オペアンプ４３，４４からの出力を差動増幅するものである。そして、増幅された電圧値（電圧波形）は、ＡＤ変換ポート６２によりＡＤ変換されて、ＥＣＵ６に対して入力される。尚、上述の通り、所定の故障診断タイミング中に、複数の交流信号が圧力センサ２０１に対して入力されることから、１回の燃焼サイクル中に、前記ＥＣＵ６に対して複数の電圧波形が入力されることとなる。

前記判定手段５は、ＥＣＵ６の内部に設けられた演算装置であり、前記故障診断タイミングにおいて前記オペアンプ４５から入力された電圧波形に基づいて圧力センサ２０１に断線又は短絡が発生しているか、或いは正常であるかを判定する。具体的には、まず、故障診断タイミング中に入力された複数の電圧波形のうち、所定の平均化処理回数と等しい数の電圧波形を抽出し、平均化することで、１の電圧波形（平均化電圧波形）を得る。そして、当該平均化電圧波形に基づいて、前記圧力センサ２０１の静電容量を算出する。次いで、算出された静電容量が、圧力センサ２０１が正常な場合の静電容量の範囲（例えば、３００ｐＦ〜５００ｐＦ）内にあるとき、判定手段５は、圧力センサ２０１が正常であると判定する。一方で、静電容量が予め設定された閾値（例えば、３００ｐＦ）未満であるとき、判定手段５は、前記圧力センサ２０１に短絡又は断線が生じているものと判定する。

尚、前記平均化処理回数は、信号生成手段３により１ｍｓ当たりに出力される交流信号の周波数（ｋＨｚ）に１０ｍｓを乗算して得た値以下と過大なものとならないように設定されている。

また、圧力センサ２０１に短絡又は断線が生じているものと判定された場合、ＥＣＵ６は、異常ランプ（図示せず）を点灯させて、ユーザ（運転者）に異常を知らせるようになっている。

次に、上述した異常診断装置１の動作について、図５のフローチャートを参照しつつ説明する。

まず、ステップＳ１において、上記故障診断タイミングであるか否かが確認される。ここで、給排気時等、故障診断タイミングである場合には、ステップＳ２１に移行し、一方で、混合気の圧縮時等、故障診断タイミングでない場合には、ステップＳ２２に移行する。尚、ステップＳ２２においては、信号生成手段３と圧力センサ２０１とが電気的に接続されているか否かが判定され、信号生成手段３と圧力センサ２０１が電気的に接続されている場合には、ステップＳ３２に移行する。そして、ステップＳ３２において、スイッチ手段２が切替えられ、信号生成手段３と圧力センサ２０１との電気的接続を遮断する一方で、圧力センサ２０１とチャージアンプ８とが電気的に接続される。

ステップＳ１において故障診断タイミングであると確認されたときには、上述の通り、ステップＳ２１に移行するが、ステップＳ２１においては、信号生成手段３と圧力センサ２０１とが電気的に接続されているか否かが確認される。ここで、信号生成手段３と圧力センサ２０１とが電気的に接続されていない場合、ステップＳ３１に移行し、スイッチ手段２が制御されることで、両者が電気的に接続される。信号生成手段３と圧力センサ２０１とが電気的に接続された後、ステップＳ４において、故障診断タイミングの間、信号生成手段３から圧力センサ２０１に供給される電流に基づく複数の電圧波形が、電流検知手段４により計測される。そして、故障診断タイミングが終了し、複数の電圧波形が取得された後、ステップＳ５において、これらの電圧波形を平均化した平均化電圧波形を得る。そして、算出された平均化電圧波形に基づいて、圧力センサ２０１の静電容量（ＣＰ）を測定する。

次に、ステップＳ６において、当該静電容量（ＣＰ）が所定の閾値（Ｌ１）未満であるか否かが判定される。ここで、静電容量（ＣＰ）が前記閾値（Ｌ１）未満であるときには、ステップＳ７１に移行し、前記圧力センサ２０１に短絡又は断線が生じているものと判定される。そして、ステップＳ７２に移行し、異常ランプが点灯されて、処理が終了する。

一方で、ステップＳ６において、静電容量（ＣＰ）が所定の閾値（Ｌ１）以上であると判定された場合には、ステップＳ８に移行し、圧力センサ２０１は正常であると判定される。

以上詳述したように、本実施形態によれば、所定の故障診断タイミングにおいて、信号生成手段３から圧力センサ２０１に入力される電流値（に基づく電圧値）が測定され、当該電流値（電圧値）から得られる圧力センサ２０１（板パッキン２０３及び電極板２０５間）の静電容量に基づいて圧力センサ２０１の断線や短絡が判定される。すなわち、圧力センサ２０１からの出力電圧ではなく、圧力センサ２０１への入力電流により得られた圧力センサ２０１の静電容量に基づいて異常診断が行われる。従って、本実施形態のように、使用時においてボディアースとなる圧力センサ２０１であっても、その静電容量を正確に得ることができ、ひいては圧力センサ２０１における断線や短絡の有無をより正確に診断することができる。

加えて、燃焼状態を検知することが特に必要なとき（本実施形態では、混合気の圧縮時や爆発時）以外のタイミングで、スイッチ手段２により圧力センサ２０１及び信号生成手段３間が電気的に接続され、そのときに得られた静電容量に基づいて圧力センサ２０１における異常の有無が診断される。換言すれば、燃焼圧の検知が必要なタイミングでは、圧力２０１センサ及びチャージアンプ８間は電気的に接続されており、燃焼圧が検知されることとなる。従って、異常診断装置１を設けたことにより、圧力センサ２０１を設けた意義が損なわれてしまうといった事態をより確実に防止することができる。

併せて、信号生成手段３により１秒間当たりに生成される交流信号の数が、内燃機関の１秒間当たりの回転数の１０倍以上と十分に大きなものとされている。このため、燃焼サイクル（吸気、圧縮、爆発、排気）中における前記所定の故障診断タイミングのみにおいて、圧力センサ２０１への入力電流を測定した場合であっても、複数周期分（例えば、５周期分以上）の静電容量に基づく波形を得ることができる。また、得られた複数の波形に対して平均化処理が行われ、当該平均化処理により得られた平均化電圧波形に基づいて圧力センサ２０１の断線又は短絡が判定される。このため、点火ノイズの影響を効果的に抑制することができ、圧力センサ２０１における異常の有無を一層精度よく診断することができる。

一方で、前記平均化処理回数は、１ｍｓ当たりに出力される交流信号の数に１０ｍｓを乗算して得た値が上限とされている。従って、点火ノイズの影響をより確実に抑制しつつ、判定手段５における処理負担の増大を防止することができる。また、判定手段５として処理能力に優れたものを用いる必要がなくなるため、製造コストの増大抑制を図ることができる。

さらに、圧力センサ２０１の静電容量が予め設定された閾値未満であるときに、圧力センサ２０１に短絡又は断線が生じているものと判定する。このため、圧力センサ２０１の圧力センサ２０１の異常診断を一層精度よく、かつ、効率的に行うことができる。

また、電流の検知にコンデンサの静電容量を利用する場合（例えば、上記特許文献２、特開２０００−８９４０号公報等）には、一般的にコンデンサは静電容量の公差が比較的大きい（例えば、±５％程度）ことから、検知される電流値にばらつきが生じやすいが、本実施形態における電流検知手段４は、電流検知用抵抗４２と、オペアンプ４３，４４，４５とによって構成されており、コンデンサを含んでいない。従って、圧力センサ２０１に供給される電流値ひいては圧力センサ２０１の静電容量をより正確に計測することができ、判定精度のより一層の向上を図ることができる。

尚、上記実施形態の記載内容に限定されず、例えば次のように実施してもよい。勿論、以下において例示しない他の応用例、変更例も当然可能である。

（ａ）上記実施形態では特に言及していないが、算出された静電容量が前記閾値未満であった回数が所定の回数を超えたときに、圧力センサ２０１に短絡や断線が生じているものと判定することとしてもよい。この場合には、ノイズの影響に伴う誤判定の発生をより確実に防止することができ、判定精度の更なる向上を図ることができる。

（ｂ）上記実施形態では、故障診断タイミングとして給排気時を例示しているが、故障診断タイミングはこれに限定されるものではない。従って、例えば、内燃機関の燃料カット時（例えば、燃料の噴射間隔が、アイドリング時における燃料噴射間隔を超えているとき）を故障診断タイミングとしてもよいし、給排気時から混合気の圧縮初期段階までの間を故障診断タイミングとしてもよい。

（ｃ）上記実施形態では、輪状をなす圧力センサ２０１を例示しているが、異常診断装置１による診断対象となる圧力センサの構成はこれに限定されるものではない。従って、図６に示すように、エンジンヘッド３２１のプラグホールＰＨに挿入される筒状部３０８を一体的に有する筒状の圧力センサ３０１に対して、異常診断装置１を適用することとしてもよい。尚、当該圧力センサ３０１は、上記実施形態における圧力センサ２０１と同様、図７に示すように、金属製のケーシング３０２内に、板パッキン３０３、圧電素子３０４、電極板３０５、及び、絶縁板３０６が積層状態で収納されて構成されているとともに、電極板３０５に電気的に接続されたリード線３０７から電荷信号が取出されるものである。また、内燃機関に取付けられた状態において、板パッキン３０３がケーシング３０２を介してエンジンヘッド３２１に対して電気的に接続される。すなわち、圧力センサ３０１についても、使用時においては、いわゆるボディアースとなるものである。

（ｄ）上記実施形態では、オペアンプ４３，４４によって構成されたボルテージフォロア回路が設けられているが、ボルテージフォロア回路を設けることなく、電流検知用抵抗４２の両端部をオペアンプ４５の入力端子に直接的に接続することとしてもよい。

（ｅ）上記実施形態では、前記閾値を導出する目安となる、正常時における圧力センサ２０１の静電容量の範囲として、３００ｐＦ〜５００ｐＦを例示しているが、正常時における圧力センサの静電容量の範囲はこれに限定されるものではない。すなわち、形状や構成によって正常時における圧力センサの静電容量の範囲は種々異なり、また、個々の製品間によっても多少（例えば、±３０％程度）のばらつきがある。例えば、比較的大径（例えば、Ｍ１４）のスパークプラグ等とともに用いられ、外周部分と内周部分の径差が比較的大きい圧力センサであれば、正常時における静電容量は１０００ｐＦ程度となる。一方で、圧電素子の割れを防止すべく、圧電素子を比較的肉厚にすれば、電極板２０５と板パッキン２０３との間の距離が増大するため、正常時における静電容量は１３０ｐＦ程度と減少する。従って、前記閾値を決定するに際しては、例えば、ある形状の圧力センサの正常時における静電容量の範囲に３０％程度の余裕を持たせた数値範囲の下限を前記閾値とするなど、静電容量の大小やばらつき等を考慮して、誤判定の生じにくい閾値を決定することが必要である。

（ｆ）上記実施形態では、圧力センサ２０１の断線・短絡を判定するにあたって、圧力センサ２０１の静電容量を算出しているが、回路の温度補正や劣化補正等を考慮すると、正確な静電容量を数ｐＦの単位まで算出することが難しい場合がある。従って、計測された電流値（電圧波形）から、圧力センサ２０１の静電容量として、ある程度の幅を持った範囲を算出し、当該静電容量の範囲と前記閾値とを比較することによって、圧力センサ２０１の断線・短絡を判定することとしてもよい。

１…異常診断装置
２…スイッチ手段
３…信号生成手段
４…電流検知手段
５…判定手段
８…チャージアンプ
２０１，３０１…圧力センサ
２０３，３０３…板パッキン（他方の電極）
２０４，３０４…圧電素子
２０５，３０５…電極板（一方の電極）

Claims (7)

1. 絶縁性の圧電素子と、前記圧電素子を挟んで対向し、互いに絶縁状態にある２つの電極とを備えるとともに、使用時において、チャージアンプにより前記２つの電極のうち一方の電極から内燃機関の燃焼室内の圧力変動に応じた信号を取り出し、前記２つの電極のうち他方の電極が内燃機関のアースに接続される圧力センサの異常診断装置であって、
   交流信号を出力する信号生成手段と、
   所定の故障診断タイミングにおいて、前記圧力センサ及び前記チャージアンプ間の電気的接続を遮断する一方で、前記圧力センサ及び前記信号生成手段間を電気的に接続するスイッチ手段と、
   前記信号生成手段から前記圧力センサに入力される電流値を測定する電流検知手段と、
   前記電流値から得られる前記両電極間の静電容量に基づいて前記圧力センサの断線又は短絡を判定する判定手段と
   を備えることを特徴とする圧力センサの異常診断装置。
2. 前記所定の故障診断タイミングは、前記燃焼室内の燃焼状態を検知するとき以外のタイミングであることを特徴とする請求項１に記載の圧力センサの異常診断装置。
3. 前記信号生成手段により１秒間当たりに出力される交流信号の数を、前記内燃機関の１秒間当たりの回転数の１０倍以上としたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧力センサの異常診断装置。
4. 前記所定の故障診断タイミングは、前記内燃機関の燃料カット時であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧力センサの異常診断装置。
5. 前記判定手段は、前記所定の故障診断タイミング中に得られた両電極間の静電容量に基づいた複数の波形のうち、所定の平均化処理回数と等しい周期数の分だけ前記波形を取り込んで平均化処理をするとともに、当該平均化処理して得られた平均化波形に基づいて前記圧力センサの断線又は短絡を判定することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の圧力センサの異常診断装置。
6. 前記所定の平均化処理回数は、前記信号生成手段により出力される交流信号の周波数（ｋＨｚ）に１０ｍｓを乗算して得た値以下であることを特徴とする請求項５に記載の圧力センサの異常診断装置。
7. 前記判定手段は、両電極間の静電容量が予め設定された閾値未満であるときに、前記圧力センサに短絡が生じている、又は、前記圧力センサに断線が発生しているものと判定することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧力センサの異常診断装置。

Images