JP2016138800A - 筒内圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電流の変動に起因したノイズを取り除いて筒内圧を精度良く検出することのできる筒内圧センサを提供する。
【解決手段】筒内圧センサは、定電流回路１に直列に設けられた受圧素子４及び抵抗素子３と、受圧素子差動アンプ７と、抵抗素子差動アンプ６と、受圧素子差動アンプ７と抵抗素子差動アンプ６とから出力された各信号の差に相当する信号を筒内圧の大きさを示す信号として出力する筒内圧差動アンプ８と、を備えている。この筒内圧センサでは、受圧素子４及び抵抗素子３のうち受圧素子４にのみ内燃機関の気筒内の圧力が作用する。そして、抵抗素子３は、抵抗値が受圧素子４の抵抗値の１／１０倍の値であり、且つ抵抗温度係数が受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値であり、抵抗素子差動アンプ６の利得は、受圧素子差動アンプ７の利得の１０倍である。
【選択図】図１

Description

本発明は、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧を検出する筒内圧センサに関する。

従来、筒内圧センサとして半導体素子を用いたものが知られている。特許文献１には、圧力を受けて歪みを生じる起歪部に半導体素子を固定した構成が開示されている。半導体素子は、起歪部の歪みに追随して変形し、抵抗値を変化させる。そのため、特許文献１に記載のセンサでは、定電流回路に起歪部に固定した上記の半導体素子を設けて、半導体素子の両端に発生する電圧の変化を検出することで起歪部の歪みを検出している。

特開平６‐９４５６０号公報

ところで、筒内圧センサでは、上述したように半導体素子を定電流回路に設け、半導体素子の両端に生じる電圧の変化に基づいて筒内圧を検出するようにしているが、定電流回路であっても種々の要因によって同回路に流れる電流が変動する場合がある。そして、同回路に流れる電流が変動すると、半導体素子の両端に発生する電圧も変動する。したがって、筒内圧センサから出力される電圧信号には、電流の変動に起因したノイズが重畳する場合があり、筒内圧を精度良く検出することができないおそれがある。

本発明は、こうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、電流の変動に起因したノイズを取り除いて筒内圧を精度良く検出することのできる筒内圧センサを提供することにある。

上記課題を解決するための筒内圧センサは、定電流回路に直列に設けられて、圧力と温度とに応じてそれぞれ抵抗値が変化する受圧素子及び抵抗素子と、受圧素子の両端に発生する電圧の大きさに対応する信号を出力する受圧素子差動アンプと、抵抗素子の両端に発生する電圧の大きさに対応する信号を出力する抵抗素子差動アンプと、受圧素子差動アンプと抵抗素子差動アンプとから出力された各信号の差に相当する信号を筒内圧の大きさを示す信号として出力する筒内圧差動アンプと、を備え、受圧素子及び抵抗素子のうち受圧素子にのみ内燃機関の気筒内の圧力が作用する筒内圧センサであって、抵抗素子は、抵抗値が受圧素子の抵抗値の１／ｎ倍の値であり、且つ抵抗温度係数が受圧素子の抵抗温度係数の１／ｎ倍の値であり、抵抗素子差動アンプの利得は、受圧素子差動アンプの利得のｎ倍である。

上記構成によれば、定電流回路に、筒内圧が作用する受圧素子と、筒内圧が作用しない抵抗素子とが直列に設けられる。そして、定電流回路の電流が変動したときには、受圧素子に加えて抵抗素子においてもその両端に発生する電圧（以下、両端電圧という）が変化する。抵抗素子の抵抗値は受圧素子の抵抗値の１／ｎ倍の値であるため、流れる電流が同じ大きさであれば、抵抗素子の両端電圧は、受圧素子の両端電圧の１／ｎになる。

また、受圧素子及び抵抗素子は、各素子の温度によっても抵抗値が変化する。抵抗温度係数は、温度による抵抗値の変化度合いを示す係数であるが、上記構成では、抵抗素子の抵抗温度係数は受圧素子の抵抗温度係数の１／ｎ倍の値である。このため、温度が変化したときの抵抗素子の両端電圧の変化度合いは、同様に温度が変化したときの受圧素子の両端電圧の変化度合いの１／ｎになる。

そして、抵抗素子の両端電圧の大きさに対応する信号を出力する抵抗素子差動アンプの利得は、受圧素子の両端電圧の大きさに対応する信号を出力する受圧素子差動アンプの利得のｎ倍である。このため、例えば、受圧素子差動アンプの利得が１であり、同受圧素子差動アンプに入力された受圧素子の両端電圧の大きさに対応する信号をそのまま出力するときには、抵抗素子差動アンプの利得はｎとなり、同抵抗素子差動アンプに入力された抵抗素子の両端電圧の大きさに対応する信号をｎ倍に増幅する。このため、筒内圧が作用していないときに、ノイズの影響を受けた場合であっても抵抗素子差動アンプから出力された信号と受圧素子差動アンプから出力された信号とが略同一になる。また、温度が変化した場合であっても、抵抗素子差動アンプから出力された信号の変化度合いと受圧素子差動アンプから出力された信号の変化度合いとが略同一になる。

したがって、受圧素子差動アンプと抵抗素子差動アンプとから出力される各信号の差に相当する信号を出力する筒内圧差動アンプからは、電流の変動に起因したノイズを取り除いて筒内圧の影響のみを反映した信号が出力される。その結果、この筒内圧作動アンプから出力された信号に基づいて筒内圧を精度良く検出することができる。

なお、抵抗素子の抵抗温度係数が受圧素子の抵抗温度係数の１／ｎ倍の値以外の任意の値に設定されていると、抵抗素子と受圧素子との温度が変化したときに、抵抗素子差動アンプと受圧素子差動アンプとから出力される信号間のずれ量が変化する。筒内圧差動アンプから出力された信号に基づいて筒内圧を検出するためには、抵抗素子差動アンプ及び受圧素子差動アンプからそれぞれ出力された信号間のずれ量を一定にして筒内圧センサのオフセット電圧を一定にする必要があるため、抵抗素子の抵抗温度係数を受圧素子の抵抗温度係数の１／ｎ倍の値以外の任意の値に設定した場合には、これら出力信号間のずれ量を一定にする温度補正演算を行う必要がある。そのため、補正演算を行うための回路が必要になり構成が複雑になる。

一方、上記構成では、抵抗温度係数が上述した関係であるため、温度が変化した場合であっても各アンプから出力される信号間のずれ量は一定に維持される。そのため、上記温度補正演算を行わずともオフセット電圧が一定になり、構成を簡単にすることができる。

また、受圧素子を用いて筒内圧を精度良く検出するためには、受圧素子の抵抗を小さくしたり定電流回路に流れる電流を大きくしたりして、受圧素子の電圧をできるだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、こうした回路を動作させるためには、受圧素子の両端電圧と抵抗素子の両端電圧との和を、定電流回路の電源電圧以下に抑える必要がある。定電流回路の電源電圧を大きくすれば、筒内圧を精度良く検出することができるようになるが、この場合には、電源を大型化する必要がある。

この点、上記構成によれば、抵抗素子の抵抗値が受圧素子の抵抗値の１／ｎ倍の値であり、抵抗素子における電圧が小さく抑えられているため、抵抗素子の抵抗値が受圧素子の抵抗値と等しい場合に比べて定電流回路における受圧素子の電圧を大きくすることができ、電源の大型化を抑制しつつ、筒内圧を精度良く検出することができる。

一実施形態としての筒内圧センサに設けられた定電流回路の構成を模式的に示す電気回路図。 定電流回路の各アンプから出力される信号の一例を模式的に示すグラフであり、（ａ）は抵抗素子差動アンプから出力される信号、（ｂ）は受圧素子差動アンプから出力される信号、（ｃ）は筒内圧差動アンプから出力される信号を示す。 筒内圧センサの他の実施形態において、筒内圧差動アンプから出力される信号の一例を模式的に示すグラフ。

以下、筒内圧センサの一実施形態について、図１及び図２を参照して説明する。
図１に示すように、筒内圧センサの定電流回路１には、同回路１に一定の電流Ｉを流す定電流源２が設けられている。定電流源２には、抵抗素子３が接続されている。抵抗素子３には受圧素子４が接続されている。すなわち、定電流回路１には、抵抗素子３と受圧素子４とが直列に設けられている。受圧素子４は、アースに接続されている。

抵抗素子３及び受圧素子４は、圧力と温度とに応じてそれぞれ抵抗値が変化する。そのため、これら抵抗素子３及び受圧素子４は、定電流回路１において可変抵抗器として機能する。抵抗素子３は、抵抗値が受圧素子４の抵抗値の１／１０倍の値であり、温度による抵抗値の変化度合いを示す係数である抵抗温度係数が受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値である。

抵抗素子３及び受圧素子４は、筒内圧センサ内に形成された同一の空間５に収容されている。そして、内燃機関の燃焼室内の圧力である筒内圧は、図１に矢印で示すように、抵抗素子３及び受圧素子４のうち受圧素子４にのみ作用する。

筒内圧センサには、定電流源２及び抵抗素子３の間と、抵抗素子３及び受圧素子４の間とに接続された抵抗素子差動アンプ６が設けられている。抵抗素子差動アンプ６は、非反転入力端子に定電流源２及び抵抗素子３の間の電位に相当する信号が入力され、反転入力端子に抵抗素子３及び受圧素子４の間の電位に相当する信号が入力される。このため、抵抗素子差動アンプ６には、これらの電位の差、すなわち抵抗素子３の両端に発生する電圧（両端電圧）の大きさに対応する信号が入力される。抵抗素子差動アンプ６の利得は１０に設定されており、入力された信号を１０倍に増幅して、抵抗素子３の両端電圧の大きさに対応する信号を出力する。

また、筒内圧センサには、抵抗素子３及び受圧素子４の間と、アースとに接続された受圧素子差動アンプ７が設けられている。受圧素子差動アンプ７は、非反転入力端子に抵抗素子３及び受圧素子４の間における電位に相当する信号が入力され、反転入力端子にアース電位に相当する信号が入力される。このため、受圧素子差動アンプ７には、これらの電位の差、すなわち受圧素子４の両端に発生する電圧（両端電圧）の大きさに対応する信号が入力される。受圧素子差動アンプ７の利得は１に設定されており、入力された信号を受圧素子４の両端電圧の大きさに対応する信号としてそのまま出力する。したがって、抵抗素子差動アンプ６の利得は、受圧素子差動アンプ７の利得の１０倍になっている。

さらに、筒内圧センサには、抵抗素子差動アンプ６と受圧素子差動アンプ７とに接続された筒内圧差動アンプ８が設けられている。筒内圧差動アンプ８は、反転入力端子に抵抗素子差動アンプ６から出力された信号が入力され、非反転入力端子に受圧素子差動アンプ７から出力された信号が入力される。筒内圧差動アンプ８は、各信号の差に相当する信号を筒内圧の大きさを示す信号として出力する。

次に、図２を参照して、本実施形態の作用について説明する。
定電流回路１には定電流源２によって一定の電流が流れているが、種々の要因によって同回路１に流れる電流が変動する場合がある。

本実施形態では、定電流回路１に、筒内圧が作用する受圧素子４と、筒内圧が作用しない抵抗素子３とが直列に設けられている。このため、定電流回路１の電流が変動したときには、受圧素子４の両端電圧が変化するとともに、抵抗素子３の両端電圧も変化する。そして、抵抗素子３の抵抗値が受圧素子４の抵抗値の１／１０倍の値であるため、抵抗素子３の両端電圧は、受圧素子４の両端電圧の１／１０になる。

また、受圧素子４及び抵抗素子３は、各素子の温度によっても抵抗値が変化する。本実施形態では、抵抗素子３の抵抗温度係数が受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値である。このため、温度が変化したときの抵抗素子３の両端電圧の変化度合いは、同様に温度が変化したときの受圧素子４の両端電圧の変化度合いの１／１０になる。なお、受圧素子４及び抵抗素子３は、筒内圧センサに形成された同一の空間５に収容されており、各素子における温度は略同一になっている。

なお、燃焼室等の温度が伝達されると筒内圧センサの温度が変化するが、抵抗素子３及び受圧素子４はそれぞれ同一の空間５に収容されているため、筒内圧センサの温度が変化したときに各素子３，４の温度が同様に変化して各素子３，４の温度が略同一に維持される。そして、抵抗素子３の抵抗温度係数が受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値であるため、温度が変化したときの抵抗素子３の両端電圧の変化度合いは、同様に温度が変化したときの受圧素子４の両端電圧の変化度合いの１／１０になる。

そして、抵抗素子差動アンプ６の利得は、受圧素子差動アンプ７の利得の１０倍となっている。
このため、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、筒内圧が作用していないときには、ノイズの影響を受けた場合であっても抵抗素子差動アンプ６から出力された信号と受圧素子差動アンプ７から出力された信号とが略同一になる。また、温度が変化した場合であっても、抵抗素子差動アンプ６から出力された信号の変化度合いと受圧素子差動アンプ７から出力された信号の変化度合いとが略同一になり、各信号が同一に維持される。なお、図２（ｂ）に示すように、筒内圧が受圧素子４に作用すると、同筒内圧の変化に応じて抵抗値が変化し、受圧素子差動アンプ７から出力される信号が変化する。

そして、図２（ｃ）に示すように、受圧素子差動アンプ７と抵抗素子差動アンプ６とから出力される各信号の差に相当する信号を出力する筒内圧差動アンプ８からは、電流の変動に起因したノイズを取り除いて筒内圧の影響のみを反映した信号が出力される。なお、筒内圧が作用しているときには、受圧素子４の抵抗値が大きくなる。このため、定電流回路では、筒内圧が作用しているときには、筒内圧が作用していないときに比べて、ノイズが発生したときの受圧素子４の両端電圧の変動が大きくなる。そのため、筒内圧が作用しているときには、抵抗素子差動アンプ６から出力される信号と、受圧素子差動アンプ７から出力される信号に若干のずれが生じる。しかしながら、その増加度合いは、筒内圧の変化による両端電圧の増加度合いに比べて小さく無視できるため、受圧素子差動アンプ７と抵抗素子差動アンプ６とから出力される各信号の差をとることでノイズの影響が十分に除去された信号が得られる。

また、筒内圧差動アンプ８から出力された信号に基づいて筒内圧を検出するためには、抵抗素子差動アンプ６及び受圧素子差動アンプ７からそれぞれ出力された信号間のずれ量を一定にして、筒内圧センサのオフセット電圧を一定にする必要がある。

上記構成において、抵抗素子３の抵抗温度係数が受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値以外の値に設定されていると、抵抗素子３と受圧素子４との温度が変化したときに、抵抗素子差動アンプ６と受圧素子差動アンプ７とから出力される信号間のずれ量が変化する。このため、各アンプ６，７から出力された信号間のずれ量を一定にする温度補正演算を行う必要があり、補正演算を行うための回路を別途設けるなど、構成が複雑になる。

しかしながら、本実施形態では、抵抗素子３と受圧素子４との抵抗温度係数が上述した関係であるため、温度が変化した場合であっても各アンプ６，７から出力される信号間のずれ量は一定に維持され、補正演算の回路を設けなくてもオフセット電圧が一定になる。

また、受圧素子４を用いて筒内圧を精度良く検出するためには、受圧素子４の抵抗を小さくしたり定電流回路１に流れる電流を大きくしたりして、受圧素子４の電圧をできるだけ大きくすることが望ましい。しかしながら、定電流回路１を動作させるためには、受圧素子４の両端電圧と抵抗素子３の両端電圧との和を、定電流回路１の電源電圧以下に抑える必要がある。定電流回路１の電源電圧を大きくすれば、筒内圧を精度良く検出することができるようになるが、この場合には、電源を大型化する必要がある。

この点、本実施形態では、抵抗素子３の抵抗値が受圧素子４の抵抗値の１／１０倍の値であり、抵抗素子３における電圧が小さく抑えられているため、抵抗素子３の抵抗値が受圧素子４の抵抗値と等しい場合に比べて、定電流回路１における受圧素子４の電圧が大きくなる。このため、筒内圧を精度よく検出するために、電源を大型化する必要がない。

以上説明した第１の実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。
（１）定電流回路１に、筒内圧が作用する受圧素子４と、筒内圧が作用しない抵抗素子３とを直列に設け、抵抗素子３の抵抗値を受圧素子４の抵抗値の１／１０倍の値にし、且つ抵抗素子３の抵抗温度係数を受圧素子４の抵抗温度係数の１／１０倍の値にした。そして、抵抗素子差動アンプ６の利得を、受圧素子差動アンプ７の利得の１０倍にした。このため、筒内圧差動アンプ８からは、電流の変動に起因したノイズを取り除いて筒内圧の影響のみを反映した信号を出力することができる。また、抵抗素子３における電圧が小さく抑えられているため、抵抗素子３の抵抗値が受圧素子４の抵抗値と等しい場合に比べて定電流回路１における受圧素子４の電圧を大きくすることができる。したがって、電源の大型化を抑制しつつ、筒内圧作動アンプから出力された信号に基づいて筒内圧を精度良く検出することができる。

なお、上記実施形態は以下のように変更して実施することができる。
・抵抗素子３と受圧素子４とを同一の空間５に収容するようにしたが、こうした構成を適宜変更してもよい。例えば、筒内圧センサの温度が変化したときに、抵抗素子３における温度の変化度合いと、受圧素子４における温度の変化度合いがほぼ同じになるのであれば、これらの素子３，４を筒内圧センサに形成された異なる空間に収容するようにしてもよい。筒内圧センサの異なる空間に収容した場合には、抵抗素子３及び受圧素子４の温度がずれる場合がある。しかし、各素子３，４の温度の変化度合いがほぼ同じであれば、各素子間の温度のずれ量の変化がない。このため、図３に示すように、筒内圧差動アンプ８から出力される信号には、各素子３，４の温度のずれ量に応じたオフセット電圧が反映されるが、このオフセット電圧は温度が変化した場合であっても一定に維持されるため、補正演算を行うための回路を別途設けなくても、筒内圧を検出することができる。したがって、こうした構成によっても、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。

・抵抗素子３の抵抗値及び抵抗温度係数は、受圧素子４の抵抗値及び抵抗温度係数の１／ｎ倍の値であれば適宜変更が可能である。なお、この場合には併せて、抵抗素子差動アンプ６の利得を、受圧素子差動アンプ７の利得のｎ倍にする必要がある。

１…定電流回路、２…定電流源、３…抵抗素子、４…受圧素子、５…空間、６…抵抗素子差動アンプ、７…受圧素子差動アンプ、８…筒内圧差動アンプ。

Claims (1)

1. 定電流回路に直列に設けられて、圧力と温度とに応じてそれぞれ抵抗値が変化する受圧素子及び抵抗素子と、
   前記受圧素子の両端に発生する電圧の大きさに対応する信号を出力する受圧素子差動アンプと、
   前記抵抗素子の両端に発生する電圧の大きさに対応する信号を出力する抵抗素子差動アンプと、
   前記受圧素子差動アンプと前記抵抗素子差動アンプとから出力された各信号の差に相当する信号を筒内圧の大きさを示す信号として出力する筒内圧差動アンプと、を備え、
   前記受圧素子及び前記抵抗素子のうち前記受圧素子にのみ内燃機関の気筒内の圧力が作用する筒内圧センサであって、
   前記抵抗素子は、抵抗値が前記受圧素子の抵抗値の１／ｎ倍の値であり、且つ抵抗温度係数が前記受圧素子の抵抗温度係数の１／ｎ倍の値であり、
   前記抵抗素子差動アンプの利得は、前記受圧素子差動アンプの利得のｎ倍である
   筒内圧センサ。