JP2013140047A - 検出システムおよび検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実装基板210は、圧電素子10からの電荷信号Qiを積分して電圧信号に変換する積分回路213と、この電圧信号を増幅する増幅回路214と、積分回路213および増幅回路214に内部電源電圧Vrを供給する電源回路216とを備える。実装基板210には、入力信号端子211aから電荷信号Qiが入力され、第1ケーブルから電源端子211cを介して外部電源電圧Vcが入力され、出力信号端子211dから第2ケーブルを介して外部出力電圧Voが出力される。電源回路216は、外部から供給される外部電源電圧Vcを基準とする一方、実装基板210におけるグランド電位を基準とはせずに、内部電源電圧Vrを作成する。
【選択図】図7
Description
一方、単純に、検出装置と制御装置とを、接地線を介して接続しない構成を採用したとしても、検出装置のグランド電位と制御装置のグランド電位とに違いが存在する場合に、信号処理回路から制御装置に送られる出力信号に、グランド電位のずれ分がノイズとして重畳されてしまい、結果として、出力信号に基づいて得られる検出量に含まれる誤差が大きくなってしまう懸念があった。
本発明は、信号処理回路の接地に使用される電線を不要とするとともに、信号処理回路からの出力信号におけるノイズの低減を図ることを目的とする。
図1は、本実施形態に係る内燃機関1の概略構成図である。また、図2は、図1に示す圧力検出装置5のII部の拡大図である。
内燃機関1は、シリンダ2aを有するシリンダブロック2と、シリンダ2a内を往復動するピストン3と、シリンダブロック2に締結されてシリンダ2aおよびピストン3などとともに燃焼室Cを形成するシリンダヘッド4と、を備えている。ここで、シリンダブロック2およびシリンダヘッド4は、ともに、導電性を有するアルミニウムあるいは鋳鉄等で構成されている。また、内燃機関1は、シリンダヘッド4に装着されて燃焼室C内の圧力を検出する圧力検出装置5と、圧力検出装置5が検出した圧力に基づいて内燃機関1の作動を制御する制御装置6と、圧力検出装置5とシリンダヘッド4との間に介在して燃焼室C内の気密性を保つためのシール部材7と、圧力検出装置5と制御装置6との間で電気信号を伝送する伝送ケーブル8と、を備えている。
図3は、検出部あるいは検出装置の一例としての圧力検出装置5の概略構成図である。図4は、図3に示す圧力検出装置5のIV−IV部の断面図である。図5は、図4に示す圧力検出装置5のV部の拡大図である。また、図6は、図4に示す圧力検出装置5のVI部の拡大図である。
センサ部100は、受けた圧力を電気信号に変換する圧電素子10と、筒状であってその内部に圧電素子10などを収納する円柱状の孔が形成されたハウジング30と、を備えている。以下では、ハウジング30に形成された円柱状の孔の中心線方向を、単に中心線方向と称す。
また、センサ部100は、第2電極部55を電気的に絶縁するアルミナセラミック製の絶縁リング60と、絶縁リング60よりも後端側に設けられて、信号処理部200の後述する覆い部材23の端部を支持する支持部材65と、第2電極部55と後述する伝導部材22との間に介在するコイルスプリング70と、を備えている。
第1ハウジング31は、内部に、先端側から後端側にかけて段階的に径が異なるように形成された円柱状の孔310が形成された薄肉円筒状の部材である。外周面には、中心線方向の中央部に、外周面から突出する突出部315が周方向の全域に渡って設けられている。
孔310は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔311と、第1孔311の孔径よりも大きな孔径の第2孔312と、から構成される。突出部315は、先端部に、先端側から後端側にかけて徐々に径が大きくなる傾斜面315aを有し、後端部に、中心線方向に垂直な垂直面315bを有している。
孔320は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔径を有する第1円柱孔321と、第1孔径よりも小さな第2孔径を有する第2円柱孔322と、第2孔径よりも大きな第3孔径を有する第3円柱孔323と、第3孔径よりも大きな第4孔径を有する第4円柱孔324と、第4孔径よりも大きな第5孔径を有する第5円柱孔325と、から構成される。
第2ハウジング32における先端部は、第1ハウジング31における後端部にしまりばめで嵌合(圧入)されるように、第1円柱孔321における第1孔径は、第1ハウジング31の外周面の径以下となるように設定されている。
第2外周面332における先端部には、シリンダヘッド4の雌ねじ4eにねじ込まれる雄ねじ332aが形成されている。第3外周面333には、後述する第1シール部材71がすきまばめで嵌め込まれ、第3外周面333の外径と第1シール部材71の内径との寸法公差は、例えば零から0.2mmとなるように設定される。第4外周面334における後端部は、周方向に等間隔に6つの面取りを有する正六角柱に形成されている。この正六角柱に形成された部位が、圧力検出装置5をシリンダヘッド4に締め付ける際に、締付用の工具が嵌め込まれ、工具に付与された回転力が伝達される部位となる。第5外周面335における中心線方向の中央部には、外周面から凹んだ凹部335aが全周に渡って形成されている。
円筒状部41における後端部は、ハウジング30の第1ハウジング31における先端部としまりばめで嵌合(圧入)されて、この先端部の内部に入り込む進入部41aと、この先端部における端面31aと同形状に形成され、嵌合された際にこの端面31aが突き当たる突当面41bと、を有している。
内側部42は、円筒状部41における先端側の開口を塞ぐように設けられた円盤状の部材であり、後端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に突出する突出部42aが設けられている。また、内側部42の、先端側の面における中央部にはこの面から圧電素子10側に凹んだ凹部42bが設けられている。
ダイアフラムヘッド40の材料としては、高温でありかつ高圧となる燃焼室C内に存在するため、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金製であることが望ましく、例えばSUH660を例示することができる。
第1電極部50は、燃焼室C内の圧力を圧電素子10に作用させるものであり、圧電素子10側の端面である第2円柱部52における後端側の端面が圧電素子10の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成される。また、第1電極部50は、ダイアフラムヘッド40から受ける圧力を均等に圧電素子10に作用させることができるように、中心線方向の両端面が、それぞれ平滑面に形成されるとともに、中心線方向と直交する面に沿って互いに略平行に設けられている。
第1電極部50の材質としては、ステンレスを例示することができる。
第2電極部55の材質としては、ステンレスを例示することができる。
孔650は、先端側から後端側にかけて順に形成された、第1孔651と、第1孔651の孔径よりも大きな孔径の第2孔652と、第2孔652の孔径よりも大きな孔径の第3孔653と、から構成される。第1孔651の孔径は、第2電極部55の突出部55aの基端部の外径よりも大きく、この突出部55aが支持部材65の内部まで露出する。第2孔652の孔径は、後述する信号処理部200の伝導部材22における先端部の外径よりも大きい。第3孔653の孔径は、後述する信号処理部200の覆い部材23における先端側の端部の外径よりも小さく、この覆い部材23が第3孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合される。これにより、支持部材65は、覆い部材23の端部を支持する部材として機能する。
信号処理部200は、図3および図4に示すように、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷である電気信号を少なくとも増幅処理する回路基板部21と、圧電素子10に生じた電荷を回路基板部21まで導く棒状の伝導部材22と、これら回路基板部21、伝導部材22などを覆う覆い部材23と、回路基板部21などを密封するOリング26と、を備えている。
また、伝導部材被覆部231は、先端側から後端側にかけて段階的に外径が異なるように、複数の円筒形状の部分から構成される。具体的には、先端側から後端側にかけて、第1外径を有する第1円筒部241と、第1外径よりも小さな第2外径を有する第2円筒部242と、第2外径よりも大きな第3外径を有する第3円筒部243と、第3外径よりも大きな第4外径を有する第4円筒部244とが並んで形成されている。
第1円筒部241における第1外径は、支持部材65の第3孔653の孔径よりも大きく形成されている。これにより、伝導部材被覆部231における先端部は、支持部材65の第3孔653を形成する周囲の壁にしまりばめで嵌合(圧入)される。
この例では、第1凸部251は、第2円筒部242の外周面において、周方向に沿って90度間隔で4個設けられている。また、第2凸部252は、第4円筒部244の外周面において、周方向に沿って90度間隔で4個設けられている。
なお、この例では、4個の第1凸部251は、伝導部材被覆部231における第2円筒部242と一体的に形成され、4個の第2凸部252は、伝導部材被覆部231における第4円筒部244と一体的に形成されている。
保持部材300は、薄肉円筒状の部材であり、図4に示すように、後端部に内周面から内側に突出した突出部300aが設けられている。保持部材300は、第2ハウジング32に装着された後、外部から、第5外周面335に設けられた凹部335aに対応する部位が加圧されることでかしめられる。これにより、保持部材300は、ハウジング30に対して移動し難くなり、信号処理部200がハウジング30に対して移動することを抑制している。
本実施の形態の実装基板210は、1または複数の電子部品(回路素子)を実装するための配線(回路パターン)が形成されたプリント配線基板211を備えている。また、この実装基板210は、プリント配線基板211に実装された、保護回路212と、積分回路213と、増幅回路214と、電源回路(Vreg)216とをさらに備える。なお、本実施の形態では、これらのうち、積分回路213および増幅回路214が信号処理回路としての機能を有しており、電源回路216が使用電圧作成回路としての機能を有している。
電源回路216の前段は、MOSトランジスタを使用した定電圧回路であり、トランジスタのサイズと抵抗値を適切に選ぶことにより印加電圧によらず一定な電圧源とすることが可能である。電圧Vbは外部電源電圧Vcが変化しても常にGNDレベルに対して一定な電圧が出力される。一方、電圧VaはGNDレベルが変化しても常に外部電源電圧Vcレベルに対して一定な電圧が出力される。定電圧としては電圧Vaを使用することが一般的であるが、今回は電圧Vbを使用する。ただしVc−Va間は通常1V程度の低い電圧であるため、今回の用途では、これを定電圧回路の後段に設けられた非反転増幅回路で増幅して使用する。非反転増幅回路も、通常は抵抗を介して反転端子をGNDに接続するが、ここでは外部電源電圧Vcと接続することによりVc基準の電圧増幅が行われる。
先ず、圧電素子10における先端側の端面は、金属製の第1電極部50およびダイアフラムヘッド40を介して、金属製のハウジング30と電気的に接続される。
圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着することにより、ハウジング30は、金属製のシリンダヘッド4と電気的に接続される。このシリンダヘッド4は、電気的に接地された状態にあるため、圧力検出装置5では、ハウジング30を介して、圧電素子10における先端部が接地される。ここで、この例では、圧電素子10の側面とハウジング30の内壁面とが接触し得る構造になっているが、圧電素子10が絶縁体で構成されていることにより抵抗値が極めて大きいことと、圧力変化に伴って発生する電荷が、圧電素子10における中心線方向の両端部に発生することとにより、特に問題とはならない。
シール部材7は、図2に示すように、シリンダヘッド4における連通孔4aを形成する周囲の壁のセンサ部100締め付け方向の端面と、圧力検出装置5のハウジング30の第3外周面333と第4外周面334とを接続する接続面との間に配置された第1シール部材71を有している。また、シール部材7は、シリンダヘッド4の連通孔4aの傾斜部4cと、圧力検出装置5のハウジング30の第1ハウジング31の傾斜面315aとの間に配置された第2シール部材72を有している。
圧力検出装置5においては、圧電素子10の一端が、入力側第1接続ピン21a等を介して実装基板210の入力信号端子211aに接続されている。また、圧電素子10の他端は、ダイアフラムヘッド40(図10には図示せず)を介してハウジング30(より具体的には第1ハウジング31)に接続されている。また、実装基板210に設けられた入力接地端子211bは、入力側第2接続ピン21b等を介してハウジング30(より具体的には第2ハウジング32)に接続されている。さらに、実装基板210に設けられた電源端子211cは出力側第1接続ピン21cに接続され、実装基板210に設けられた出力信号端子211dは出力側第2接続ピン21dに接続される。このように、本実施の形態では、入力側第2接続ピン21bが、接続手段としての機能を有している。
内燃機関1では、ともに金属で構成されたシリンダブロック2とシリンダヘッド4とが、互いに接触した状態で配置されている(図1参照)。したがって、シリンダブロック2およびシリンダヘッド4は、互いに接続された状態にある。
圧力検出装置5に設けられた出力側第1接続ピン21cは、伝送ケーブル8を構成する第1ケーブル81の一端に接続され、この第1ケーブル81の他端は、制御装置6に設けられた電源部66(図9参照)における外部電源電圧Vcの出力ライン(図中実線矢印で示す)に接続される。また、圧力検出装置5に設けられた出力側第2接続ピン21dは、伝送ケーブル8を構成する第2ケーブル82の一端に接続され、この第2ケーブル82の他端は、制御装置6に設けられた入力受付部61(図9参照)に接続される。
圧力検出装置5に設けられたハウジング30は、内燃機関1に設けられた接地体の一例としてのシリンダヘッド4に対し、上述したようにねじ込みによって取り付けられている。したがって、ともに金属で構成されたハウジング30とシリンダヘッド4とが接続されていることになる。
制御装置6に設けられた電源部66(図9参照)の接地端は、内燃機関1に設けられたシリンダブロック2に接続される。
内燃機関を始動させるためのイグニッションスイッチ(図示せず)がオンに設定されると(ステップ101)、制御装置6は、電源部66から伝送ケーブル8を介して圧力検出装置5に外部電源電圧Voの給電を開始する(ステップ12)。続いて、制御装置6は、制御装置6と圧力検出装置5とを接続する伝送ケーブル8の断線検出動作を実行する(ステップ13)。
内燃機関1の作動時には、センサ部100のダイアフラムヘッド40の内側部42に、燃焼室C内で発生した燃焼圧が付与される。そして、ダイアフラムヘッド40に付与された燃焼圧が、第1電極部50と第2電極部55とによって挟まれた圧電素子10に作用することにより、この圧電素子10に燃焼圧に応じた電荷が生じる。圧電素子10に生じた電荷は、第2電極部55、コイルスプリング70および伝導部材22を介して、入力電荷Qiとして回路基板部21の実装基板210に供給される。実装基板210に供給された入力電荷Qiは、実装基板210に設けられた各種回路にて積分処理および増幅処理がなされた後、その電荷に応じた外部出力電圧Voが、回路基板部21から伝送ケーブル8を介して、制御装置6に供給される。
Claims (5)
- 物理量の変化を検出する検出素子と、当該検出素子から出力される検出信号に処理を施す信号処理回路と、当該検出素子および当該信号処理回路が取り付けられるとともに、当該信号処理回路におけるグランドが電気的に接続される筐体とを含み、当該筐体が接地体に電気的に接続される検出部と、
前記検出部における前記信号処理部に定電圧を供給するための定電圧供給線と、当該信号処理部から出力される出力信号を伝送するための出力信号伝送線とを介して当該検出部に接続され、さらに、前記接地体に電気的に接続される供給/処理部とを備え、
前記検出部は、前記定電圧供給線を介して供給される前記定電圧の電圧値を基準とするとともに前記信号処理回路における前記グランドの電位を基準とせずに、当該信号処理回路で使用する使用電圧を作成する使用電圧作成回路をさらに有すること
を特徴とする検出システム。 - 前記検出素子は、圧電体を用いて圧力を検出する圧電素子で構成され、
前記信号処理回路は、前記圧電素子から入力される電荷信号を、演算増幅器を用いて積分することで、当該電荷信号を電圧信号に変換する積分回路と、当該積分回路から入力される当該電圧信号を、他の演算増幅器を用いて増幅し、得られた増幅信号を、前記出力信号線を介して前記供給/処理部に出力する増幅回路とをさらに有し、
前記使用電圧作成回路は、前記積分回路に設けられた前記演算増幅器および前記増幅回路に設けられた前記他の演算増幅器に、それぞれ前記使用電圧を供給すること
を特徴とする請求項1記載の検出システム。 - 前記積分回路に設けられた前記演算増幅器および前記増幅回路に設けられた前記他の演算増幅器は、それぞれ、前記定電圧供給線を介して供給される前記定電圧を電源とする単電源で動作し、
前記使用電圧作成回路は、前記積分回路に設けられた前記演算増幅器の非反転入力端子および前記増幅回路に設けられた前記他の演算増幅器の非反転入力端子に、それぞれ前記使用電圧を供給すること
を特徴とする請求項2記載の検出システム。 - 物理量の変化を検出する検出素子と、
前記検出素子から出力される検出信号に処理を施す信号処理回路と、
前記検出素子および前記信号処理回路が取り付けられる筐体と、
前記信号処理回路に定電圧を供給するための定電圧供給手段と、
前記信号処理回路から出力される出力信号を伝送するための出力信号伝送手段と、
前記信号処理回路におけるグランドを前記筐体に接続するための接続手段と、
前記定電圧供給手段を介して供給される前記定電圧の電圧値を基準とするとともに前記信号処理回路における前記グランドの電位を基準とせずに、当該信号処理回路で使用する使用電圧を作成する使用電圧作成回路と
を含む検出装置。 - 前記検出素子は、圧電体を用いて圧力を検出する圧電素子で構成され、
前記信号処理回路は、前記圧電素子から入力される電荷信号を、演算増幅器を用いて積分することで、当該電荷信号を電圧信号に変換する積分回路と、当該積分回路から入力される当該電圧信号を、他の演算増幅器を用いて増幅し、得られた増幅信号を、前記出力信号線を介して前記供給/処理部に出力する増幅回路とをさらに有し、
前記使用電圧作成回路は、前記積分回路に設けられた前記演算増幅器および前記増幅回路に設けられた前記他の演算増幅器に、それぞれ前記使用電圧を供給すること
を特徴とする請求項4記載の検出装置。
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