JP2011133332A - 圧電型力検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的簡便な手法で、積分増幅器の入力側の電気的絶縁性の低下を判定することができる圧電型力検出装置を提供する。
【解決手段】 エンジン１が通常作動させた後に停止され、エンジン１の作動停止後に積分増幅器２１がリセットされ、該リセット後に積分増幅器の電源がオンされる（Ｓ２１〜Ｓ２４）、電源オン時点からの積分増幅器２１の出力変化特性、すなわち出力電圧Ｅｏの立ち上り時間τＲが計測される（Ｓ２５）。計測された立ち上り時間τＲに基づいて圧力センサ（または接続ケーブル、接続コネクタ）の劣化状態が判定される。積分増幅器２１の入力側に接続される圧力センサまたは接続ケーブル等の絶縁抵抗値が変化すると、圧力センサ１１から積分増幅器２１の出力までの周波数特性が変化するので、立ち上り時間τＲに基づいて絶縁抵抗値の低下を検出することができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、圧電素子を用いて圧電素子に加わる力（圧力）を検出する圧電型力検出装置に関し、特に圧電素子に接続された積分増幅器を備えるものに関する。

特許文献１には、圧電素子及び圧電素子に接続された積分増幅器を備える圧力検出装置が示されている。この装置によれば、内燃機関の筒内圧が検出され、内燃機関の運転状態に応じたタイミングで積分増幅器がリセットされる。

特許文献２には、圧電素子と、該圧電素子の温度を検出する温度検出素子と、圧電素子の出力信号を増幅する増幅器とを備える筒内圧検出装置が示されている。この装置によれば、温度検出素子により検出される温度に応じて、増幅器の増幅率が調整され、調整後の出力信号に応じて、増幅器の出力信号を基準値にリセットするタイミングが算出される。

特開２００６−３２９８１２号公報 特開２００９−２２９３２９号公報

上記特許文献１及び２に示された装置は、圧電素子出力のオフセットドリフトの除去あるいは補正を行うものであり、圧電素子またはその周辺回路の特性劣化（特に絶縁抵抗値の低下）の検出または特性劣化の影響の補正を行うものではない。

圧電素子の電気的絶縁性（絶縁抵抗値）が低下すると検出値の誤差が大きくなるため、圧電素子または周辺回路の電気的絶縁性の低下を判定する機能を有する検出装置が望まれていた。

本発明はこの点に着目してなされたものであり、比較的簡便な手法で、積分増幅器の入力側の電気的絶縁性の低下を判定することができる圧電型力検出装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１に記載の発明は、被測定物（１）に装着された圧電素子（１１）と、該圧電素子に接続される積分増幅器（２１）とを備える圧電型力検出装置において、前記被測定物（１）を通常作動させた後にその作動を停止させる停止制御手段と、前記被測定物の作動停止後に前記積分増幅器（２１）をリセットするリセット手段と、該リセット手段によるリセット時点からの前記積分増幅器（２１）の出力変化特性を検出する出力変化特性検出手段と、前記出力変化特性に基づいて前記圧電素子（１１）の劣化状態を判定する劣化状態判定手段とを備えることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の圧電型力検出装置において、前記劣化状態判定手段は、前記積分増幅器（２１）をリセットしたときに、前記積分増幅器の出力（Ｅｏ）が所定レベル（ＶＲＴＨ）に達するまでの立ち上り時間（τＲ）を検出し、該立ち上り時間（τＲ）が第１判定閾値（τＲＴＨＤ）以下であるときに、前記圧電素子（１１）が劣化したと判定し、前記立ち上り時間（τＲ）が前記第１判定閾値より小さい第２判定閾値（τＲＴＨＦ）以下であるときは、前記圧電素子（１１）が故障したと判定することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の圧電型力検出装置において、前記圧電素子（１１）が劣化したと判定されたときに、前記立ち上り時間（τＲ）に応じて前記積分増幅器の出力信号に含まれる周波数成分の振幅（Ｃ１，Ｃ２）及び位相（φ１，φ２）を補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、被測定物を通常作動させた後にその作動が停止され、被測定物の作動停止後に積分増幅器がリセットされ、該リセット時点からの積分増幅器の出力変化特性に基づいて圧電素子の劣化状態が判定される。積分増幅器の入力側に接続される圧電素子または接続部材の絶縁抵抗値が変化すると、圧電素子から積分増幅器出力までの周波数特性が変化する。したがって、再作動開始時点からの出力変化特性から、圧電素子または接続部材の絶縁抵抗値の変化（低下）を検出することができる。また被測定物を通常作動させた後に停止させて、出力変化特性を検出することにより、被測定物の温度が通常作動状態の温度に近い状態で正確な劣化判定を行うことができる。

請求項２に記載の発明によれば、積分増幅器をリセットしたときにおける積分増幅器出力の立ち上り時間が検出され、該立ち上り時間が第１判定閾値以下であるときに、圧電素子が劣化したと判定され、立ち上り時間が第１判定閾値より小さい第２判定閾値以下であるときは、圧電素子が故障したと判定される。検出される立ち上り時間は、圧電素子及び積分増幅器を含む測定系の周波数特性を示すので、検出される立ち上り時間に応じて、圧電素子の故障または劣化を判定することが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、圧電素子が劣化したと判定されたときに、検出された立ち上り時間に応じて積分増幅器の出力信号に含まれる周波数成分の振幅及び位相が補正されるので、例えば当該検出装置を内燃機関の筒内圧の検出に適用し、図示平均有効圧を検出する場合において、劣化状態においても正確な検出値を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる内燃機関及びその制御装置の構成を示す図である。 圧電型圧力センサの等価回路及び積分増幅器の構成を示す回路図である。 立ち上り時間（τＲ）の定義を説明するための図である。 圧電型圧力センサ及び積分増幅器を含む測定系の低域遮断特性を示す図である。 図示平均有効圧（ＩＭＥＰ）を算出する処理のフローチャートである。 圧力センサの劣化状態を判定する手順を示すフローチャートである。

以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の一実施形態にかかる内燃機関（以下「エンジン」という）及びその制御装置の全体構成図であり、例えば４気筒のエンジン１の吸気管２の途中にはスロットル弁３が配されている。スロットル弁３にはスロットル弁開度ＴＨを検出するスロットル弁開度センサ４が連結されており、センサ４の検出信号は、電子制御ユニット（以下「ＥＣＵ」という）５に供給される。

燃料噴射弁６はエンジン１とスロットル弁３との間かつ吸気管２の図示しない吸気弁の少し上流側に各気筒毎に設けられており、各噴射弁は図示しない燃料ポンプに接続されていると共にＥＣＵ５に電気的に接続されて当該ＥＣＵ５からの信号により燃料噴射弁６の開弁時間が制御される。エンジン１の各気筒には、点火プラグ７が設けられており、点火プラグ７はＥＣＵ５に接続されている。ＥＣＵ５は、点火プラグ７に点火信号を供給する。

スロットル弁３の下流側には吸気圧ＰＢＡを検出する吸気圧センサ８、及び吸気温ＴＡを検出する吸気温センサ９が設けられている。エンジン１の本体には、エンジン冷却水温ＴＷを検出する冷却水温センサ１０が装着されている。さらにエンジン１の各気筒の点火プラグ７の近傍には、筒内圧を検出する圧電型圧力センサ１１が装着されている。センサ８〜１１の検出信号は、ＥＣＵ５に供給される。圧電型圧力センサ１１は、圧電素子で構成され、筒内圧に応じた電荷を出力する。

ＥＣＵ５には、エンジン１のクランク軸（図示せず）の回転角度を検出するクランク角度位置センサ１２が接続されており、クランク軸の回転角度に応じた信号がＥＣＵ５に供給される。クランク角度位置センサ１２は、エンジン１の特定の気筒の所定クランク角度位置でパルス（以下「ＣＹＬパルス」という）を出力する気筒判別センサ、各気筒の吸入行程開始時の上死点（ＴＤＣ）に関し所定クランク角度前のクランク角度位置で（４気筒エンジンではクランク角１８０度毎に）ＴＤＣパルスを出力するＴＤＣセンサ及びＴＤＣパルスより短い一定クランク角周期（例えば６度周期）で１パルス（以下「ＣＲＫパルス」という）を発生するＣＲＫセンサから成り、ＣＹＬパルス、ＴＤＣパルス及びＣＲＫパルスがＥＣＵ５に供給される。これらのパルスは、燃料噴射時期、点火時期等の各種タイミング制御、エンジン回転数（エンジン回転速度）ＮＥの検出に使用される。

ＥＣＵ５は、各種センサからの入力信号波形を整形し、電圧レベルを所定レベルに修正し、アナログ信号値をデジタル信号値に変換する等の機能を有する入力回路、中央演算処理ユニット（以下「ＣＰＵ」という）、該ＣＰＵで実行される各種演算プログラム及び演算結果等を記憶する記憶回路（メモリ）、燃料噴射弁６及び点火プラグ７に駆動信号を供給する出力回路等から構成される。

ＥＣＵ５は、圧力センサ１１により検出される筒内圧ＰＣＹＬを用いて燃焼状態パラメータである図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出し、図示平均有効圧ＩＭＥＰに応じた点火時期制御を行う。この点火時期制御の詳細は、特許第３９９３８５１号公報に示されている。

図２は、圧力センサ１１及び接続ケーブルの等価回路と、圧力センサ１１の出力信号を増幅する積分増幅器の構成を示す図である。圧力センサ１１及び接続ケーブル（及び接続コネクタ）の等価回路は、電圧Ｅｉを出力する電圧源と、センサ及びケーブルの合成抵抗Ｒｏｃ及び合成静電容量Ｃｏｃの並列回路として表すことができる。積分増幅器２１は、演算増幅器ＡＭＰ及び帰還抵抗Ｒｆ及び帰還容量Ｃｆによって構成される。本実施形態では、積分増幅器２１はＥＣＵ５の入力回路内に設けられている。

圧力センサ１１に力が加わると、センサ感度Ｓｓに応じた電荷Ｑが発生し、電荷Ｑは、印加された力Ｆに比例する（Ｑ＝Ｓｓ×Ｆ）。積分増幅器２１の出力電圧Ｅｏは下記式（１）で与えられ、圧力センサ１１の印加される力Ｆに比例する。
Ｅｏ＝Ｑ／Ｃｆ＝Ｓｓ×Ｆ／Ｃｆ （１）

一方、エンジン１の燃焼状態を示す図示平均有効圧ＩＭＥＰは、下記式（２）により比較的高精度かつ簡便に算出することができる。この式（２）による図示平均有効圧の算出手法は特公平８−２０３３９号公報に示されている。

式（２）のＣ１は、センサ出力Ｅｏに含まれるエンジン回転数ＮＥ［ｒｐｍ］に対応する周波数（基本周波数）ｆ１（＝ＮＥ／６０）の成分（以下「基本周波数成分」という）の振幅であり、Ｃ２は基本周波数ｆ１の２倍の周波数に対応する２次成分の振幅である。またφ１はクランク角度で示される基本周波数成分の位相であり、φ２は２次成分の位相であり、ｈは４サイクルエンジンでは「１／２」に設定され、２サイクルエンジンでは「１」に設定される定数であり、λはエンジンのコンロッド長ｓとクランク半径ｒとの比（ｓ／ｒ）である。

次に振幅Ｃ１，Ｃ２の算出手法を説明する。
圧力センサ１１の出力信号を積分増幅器２１により増幅することにより得られる出力電圧Ｅｏの時間変化波形Ｐ（ωｔ）は、離散フーリエ変換を行うことにより、下記式（３）で示されるように有限個の正弦波関数の和として示す（近似する）ことができる。式（３）のωが角速度、ｔは時間であり、本実施形態ではωｔがクランク角度に相当する。１燃焼サイクルにおけるデータサンプル数をｎとすると、式（３）のｍはｎ／２である。また式（４）及び（５）で振幅Ｃｋ及び位相φｋを定義すると、式（３）は式（６）に変形される。すなわち、上記振幅Ｃ１，Ｃ２及び位相φ１，φ２は、それぞれ式（４）及び（５）によって算出することができる。

また式（４）及び（５）のａk及びｂkは、下記式（７）及び（８）で与えられ、式（６）のａ0は、下記式（９）で与えられる。

圧力センサ１１を含む回路の合成抵抗Ｒｏｃは、主として圧力センサ１１の絶縁抵抗値に相当し、圧力センサ１１が劣化してくると合成抵抗Ｒｏｃが徐々に低下する傾向がある。そのため、圧力センサ１１から積分増幅器２１の出力までの測定系の低域遮断周波数が上昇し、出力電圧Ｅｏに基づいて算出される図示平均有効圧ＩＭＥＰの誤差が増加するという課題がある。

そこで、本実施形態では、以下に説明するようにエンジン１を停止させて、積分増幅器２１をリセットした後に、出力電圧Ｅｏの立ち上り時間τＲを計測し、立ち上り時間τＲに応じて圧力センサ１１の劣化状態を判定するようにしている。

立ち上り時間τＲは、図３に示すようにリセット後の電源オン時刻ｔ０から、出力電圧Ｅｏが所定レベルＶＲＴＨ（例えば最大電圧の６３％に設定される）に達する時刻ｔ１までの時間として定義される。すなわち、立ち上り時間τＲは、所定レベルＶＲＴＨを最大電圧の６３％に設定した場合、測定系の時定数に相当するので、以下「時定数τＲ」という。時定数τＲは、下記式（１０）で与えられる。式（１０）のτ０は、合成抵抗Ｒｏｃが帰還抵抗Ｒｆに比べて十分に大きい理想状態に対応する時定数であり、下記式（１１）で与えられる。また「Ａ」は、演算増幅器ＡＭＰの増幅率である。なお、式（１０）から、合成抵抗Ｒｏｃは、下記式（１２）で与えられる。

なお、時定数τＲの計測は、圧力センサ１１の実際の使用状態に近い状態で行うことが望ましいので、エンジン１の通常運転を少なくとも暖機が完了するまで実行し、その後エンジン１を停止させた直後に行われる。ただし、圧力センサ１１の劣化（絶縁抵抗の低下）が著しい場合には、暖機完了前であっても劣化検出が可能である。

また圧力センサ１１から積分増幅器２１の出力までの測定系は、帰還抵抗Ｒｆを含むために低域遮断特性を有する一次系となり、低域遮断周波数ｆｃは、下記式（１３）で与えられる。
ｆｃ＝１／（２π×τＲ） （１３）

図４は、この低域遮断特性（ゲインＧｃ及び位相遅れθｃ）を示す図であり、実線がゲイン特性を示し、破線が位相遅れ特性を示す。なお横軸は、低域遮断周波数ｆｃで正規化した相対周波数ｆｒである。ゲインＧｃ及び位相遅れθｃは、角周波数ωを用いるとそれぞれ下記式（１４）及び（１５）で与えられる。

例えば計測された時定数τＲが０．１秒である場合、低域遮断周波数ｆｃは、１．５９Ｈｚとなる。したがって、エンジン回転数ＮＥが６００ｒｐｍ（１０Ｈｚに相当）であるときは、基本周波数成分Ｃ１に対応するゲインＧ１は、「０．９８８」（図４において、ｆｒ＝１０／１．５９＝６．２８における振幅）となり、位相遅れθ１は「９．０４ｄｅｇ」となり、２次成分Ｃ２に対応するゲインＧ２は、「０．９９７」となり、位相遅れθ２は「４．５５ｄｅｇ」となる。

したがって、本実施形態では上記式（２）に代えて、下記式（２ａ）を用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。これにより、時定数τＲが変化しても正確な図示平均有効圧ＩＭＥＰを得ることができる。

図５は、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する処理のフローチャートである。この処理は、ＥＣＵ５のＣＰＵでＴＤＣパルスの発生に同期して実行される。

ステップＳ１０では、故障フラグＦＦＡＩＬが「１」であるか否かを判別する。故障フラグＦＦＡＩＬは、図６に示す処理で圧力センサ１１が故障していると判定されたとき「１」に設定される（ステップＳ２３，Ｓ２４参照）。ステップＳ１０の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、直ちに処理を終了する。

ステップＳ１０の答が否定（ＮＯ）であるときは、ステップＳ１１に進み、所定クランク角度毎にサンプリングされたデータＰｊ（ｊ＝１〜ｎ）を読み込む。ステップＳ１２では上述した離散フーリエ変換演算を、読み込んだデータＰｊについて実行し、基本周波数成分の振幅Ｃ１及び２次成分の振幅Ｃ２を算出する（以下それぞれ「第１周波数振幅」及び「第２周波数振幅」という）。

ステップＳ１３では、第１及び第２周波数振幅Ｃ１，Ｃ２、及び図６の処理で算出されるゲインＧ１，Ｇ２，位相遅れθ１，θ２を、上記式（２ａ）に適用し、図示平均有効圧ＩＭＥＰを算出する。

図６は、圧力センサ１１の劣化状態を判定する手順を示すフローチャートである。
エンジン１の通常運転を実行している状態でエンジン１を停止し（ステップＳ２１）、測定系の電源をオフとする（ステップＳ２２）。その後に積分増幅器２１をリセットし（ステップＳ２３）、測定系の電源をオンした後の出力電圧Ｅｏの変化を記録して時定数τＲを計測する（ステップＳ２４，Ｓ２５）。積分増幅器２１のリセットは、帰還容量Ｃｆの両端を図示しない電子スイッチにより短絡することにより行われる。

ステップＳ２６では、時定数τＲが故障判定閾値τＲＴＨＦ以下であるか否かを判別し、その答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、圧力センサ１１が故障していると判定し、故障フラグＦＦＡＩＬを「１」に設定する（ステップＳ２７）。

ステップＳ２６で時定数τＲが故障判定閾値τＲＴＨＦより大きいときは、時定数τＲが劣化判定閾値τＲＴＨＤ以下であるか否かを判別する（ステップＳ２８）。劣化判定閾値τＲＴＨＤは、故障判定閾値τＲＴＨＦより大きな値に設定される。ステップＳ２８の答が肯定（ＹＥＳ）であるときは、圧力センサ１１が劣化していると判定し、劣化フラグＦＤＥＴを「１」に設定する（ステップＳ２９）とともに、時定数τＲに応じてゲインＧ１，Ｇ２及び位相遅れθ１，θ２を算出する（ステップＳ３０）。

ステップＳ２８の答が否定（ＮＯ）、すなわち時定数τＲが劣化判定閾値τＲＴＨＤより大きいときは、圧力センサ１１は正常と判定し、正常フラグＦＯＫを「１」に設定する（ステップＳ３１）。次いで、ゲインＧ１，Ｇ２をともに「１．０」に設定し、位相遅れθ１，θ２をともに「０」に設定する（ステップＳ３２）。

なお、故障フラグＦＦＡＩＬが「１」となったとき、及び劣化フラグＦＤＥＴが「１」となったときは、警告表示を行うことが望ましい。

以上のように本実施形態では、エンジン１が通常作動させた後に停止され、エンジン１の作動停止後に積分増幅器２１がリセットされ、該リセット後に積分増幅器の電源がオンされ、電源オン時点からの積分増幅器２１の出力変化特性、すなわち出力電圧Ｅｏの立ち上り時間τＲに基づいて圧力センサ（または接続ケーブル、接続コネクタ）の劣化状態が判定される。積分増幅器２１の入力側に接続される圧力センサまたは接続ケーブル等の絶縁抵抗値が変化すると、圧力センサ１１から積分増幅器２１の出力までの周波数特性が変化するので、立ち上り時間τＲに基づいて絶縁抵抗値の変化（低下）を検出することができる。またエンジン１を通常作動させた後に停止させて、直ちに立ち上り時間τＲを検出することにより、エンジン１の温度が通常作動状態の温度に近い状態で正確な劣化判定を行うことができる。

より具体的には、立ち上り時間τＲが劣化判定閾値τＲＴＨＤ以下であるときに、圧力センサ１１が劣化したと判定され、立ち上り時間τＲが劣化判定閾値τＲＴＨＤより小さい故障判定閾値τＲＴＨＦ以下であるときは、圧力センサ１１が故障したと判定される。検出される立ち上り時間τＲは、圧力センサ１１及び積分増幅器２１を含む測定系の周波数特性を示すので、検出される立ち上り時間τＲに応じて、圧力センサ１１の故障または劣化を判定することができる。

さらに圧力センサ１１が劣化したと判定されたときに、検出された立ち上り時間τＲに応じてゲインＧ１，Ｇ２及び位相遅れθ１，θ２が算出され、これらが適用される式（２ａ）を用いて図示平均有効圧ＩＭＥＰが算出されるので、圧力センサ１１が劣化した状態においても正確な値を得ることができる。

本実施形態では、エンジン１が被測定物に相当し、圧力センサ１１及びＥＣＵ５の積分増幅器２１が圧電型力検出装置を構成し、ＥＣＵ５が停止制御手段、リセット手段、出力変化特性検出手段、及び劣化状態判定手段を構成する。

なお本発明は上述した実施形態に限るものではなく、種々の変形が可能である。例えば、上述した実施形態では、内燃機関を被測定物とし、筒内圧を検出する圧電型力検出装置を示したが、これに限るものではなく、圧電素子と、圧電素子出力を増幅する積分増幅器を備え、圧電素子に加わる力を検出する圧電型力検出装置であれば、特定の被測定物及び検出対象パラメータに限らず、本発明を適用可能である。

また上述した実施形態では、立ち上り時間τＲが回路の時定数となるように所定レベルＶＲＴＨを設定したが、立ち上り時間の定義は、これに限るものではなく、例えば最大値の１０％から９０％に達するまでの時間を用いてもよい。

また上述した実施形態では、立ち上り時間（時定数）τＲと、判定閾値τＲＴＨＦ、τＲＴＨＤとを比較することにより、劣化状態の判定を行う（図６，ステップＳ２６，Ｓ２８）ようにしたが、時定数τＲを式（１２）に適用して合成抵抗値（絶縁抵抗値）Ｒｏｃを算出し、合成抵抗値Ｒｏｃと、対応する判定閾値とを比較することにより、劣化状態の判定を行うようにしてもよい。

また上述した実施形態では、測定系の電源をオフして積分増幅器２１のリセットを行い、その後測定系の電源をオンし、電源オン時点から立ち上り時間τＲを計測するようにしたが、電源オンのまま積分増幅器２１のリセットを行い、そのリセット時点から立ち上り時間τＲを計測するようにしてもよい。

１ 内燃機関（被測定物）
５ 電子制御ユニット（停止制御手段、リセット手段、出力変化特性検出手段、劣化状態判定手段）
１１ 圧力センサ（圧電素子）
２１ 積分増幅器

Claims (3)

1. 被測定物に装着された圧電素子と、該圧電素子に接続される積分増幅器とを備える圧電型力検出装置において、
   前記被測定物を通常作動させた後にその作動を停止させる停止制御手段と、
   前記被測定物の作動停止後に前記積分増幅器をリセットするリセット手段と、
   該リセット手段によるリセット時点からの前記積分増幅器の出力変化特性を検出する出力変化特性検出手段と、
   前記出力変化特性に基づいて前記圧電素子の劣化状態を判定する劣化状態判定手段とを備えることを特徴とする圧電型力検出装置。
2. 前記劣化状態判定手段は、前記積分増幅器をリセットしたときに、前記積分増幅器の出力が所定レベルに達するまでの立ち上り時間を検出し、該立ち上り時間が第１判定閾値以下であるときに、前記圧電素子が劣化したと判定し、前記立ち上り時間が前記第１判定閾値より小さい第２判定閾値以下であるときは、前記圧電素子が故障したと判定することを特徴とする請求項１に記載の圧電型力検出装置。
3. 前記圧電素子が劣化したと判定されたときに、前記立ち上り時間に応じて前記積分増幅器の出力信号に含まれる周波数成分の振幅及び位相を補正する補正手段をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の圧電型力検出装置。

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