JP2017096886A - 圧電センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 圧電センサを高温環境下で使用する場合、静電気保護回路によるリーク電流が増加し、それに伴って出力オフセット電圧が変動するため、正確な測定値を得ることが困難である。
【解決手段】 圧電素子から入力された交流電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、積分回路の負側入力端子と出力端との間に、充電容量と放電抵抗とが並列に接続されており、前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗を介して前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源とが接続されている圧電センサとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電素子によって物理量を測定し、測定結果の交流電流信号を積分し、増幅して出力する圧電センサに関するものである。

物理的な変形量に応じて電荷が発生する圧電素子を使用した圧電センサは、感度に優れ、応答速度も速いため、圧力センサや加速度センサとして広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。

図３は、従来の圧電センサの構成の一例を示す図である。図３において、１０１は圧電素子を、１０２は直流遮断容量を、１０３は放電抵抗を、１０４は充電容量を、１０５は静電気保護回路を、１０６は基準電圧源を、１０７は増幅回路を、１０８は積分用演算アンプを、１０９は集積回路をそれぞれ示している。圧電素子１０１は、その表面に一対の電極を有しており、圧電素子１０１に加わった応力に応じてその電極から電荷信号を出力する。圧電素子１０１は、前記電極から配線を引き回して回路ブロックに入力する構成は非常に複雑になるため、図３に示すように、電極の一方を接地して、他方の電極から信号を取る構成が一般に用いられている。他方の電極は直流遮断容量１０２を介して積分演算用アンプ１０８の負側入力端子に接続されている。

積分演算用アンプ１０８は、負側入力端子と出力端子との間に放電抵抗１０３と充電容量１０４が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源１０６が接続されており、積分用演算アンプ１０８と、充電容量１０４と、放電抵抗１０３と、基準電圧源１０６とによって、積分回路が構成されている。

圧電素子１０１から出力された交流電荷信号は、直流成分をカットするための直流遮断容量１０２を経て、積分用演算アンプ１０８の入出力間に設けられた充電容量１０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。積分用演算アンプ１０８に高入力インピーダンスのものを使用することで、電荷信号が微小な場合でも正確に検知することが可能となる。放電抵抗１０３は、交流電荷信号の正負バランスが均等でない場合に、充電容量１０４が飽和してしまうことを防止するために設けられており、充電容量１０４と放電抵抗１０３により決まる充放電時定数は、検知信号の周期に比べて十分に長い必要がある。

積分用演算アンプ１０８の後段には、積分用演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１を増幅する正転増幅回路によって構成される増幅回路１０７が接続され、増幅回路１０７は基準電圧源１０６と接続されている。基準電圧源１０６は、演算アンプ１０８および増幅回路１０７に所定のバイアス電圧を与えるためのものであり、トランジスタのバンドギャップ電圧を利用した電圧レギュレータ回路等が一般に使用される。

また、積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と高電位を供給する電源線、および積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と低電位または接地電位を供給する電源線の間には、ダイオードのブレークダウン特性を利用する逆方向ダイオードがそれぞれ接続された静電気保護回路１０５が構成されている。静電気保護回路１０５は、外部からの静電気によって集積回路内部が破壊されるのを防止するためのものである。図３に示す従来例では、集積回路１０９は積分演算アンプ１０８、増幅回路１０７、基準電圧源１０６、および静電気保護回路１０５が集積回路化され構成されている。

圧電センサの回路部を集積回路化した場合、静電気保護回路１０５は積分用演算アンプ１０８の入力部にが設けられる。回路部をディスクリート集積回路で構成した場合においても、積分用演算アンプ入力部には同様に静電気保護回路が設けられる。また、図３の構成では回路ブロックを単一集積回路化している場合を想定しているが、ディスクリートの集積回路を組み合わせて回路ブロックを構成しても良い。回路ブロックを単一集積回路化する場合でも、充電容量１０４と放電抵抗１０３は集積回路１０９の外部に設置されることが一般的である。これは通常充電容量１０４と放電抵抗１０３の値が大きいため、集積回路１０９の内部に作り込むことが難しいためである。

図４は静電気保護回路の別の構成例を示す図である。静電気保護回路１０５は逆方向ダイオードにより構成する他に、図４に示すようにトランジスタのスナップバック特性を利用するゲート接地トランジスタ４０１および４０２も一般に用いられる。なお図示していないが、静電気保護回路の前後に低抵抗を設けて、静電気保護効果をより高めた構成も多く用いられている。

図５は従来の圧電センサの別の構成例を示す図である。図３に示した従来例と同様の構成については同様の符号を付しており、図３と相違する点について説明する。図３に示す従来例と相違する点は、図３に示す従来例においては、充電容量１０４と放電抵抗１０３は積分用演算アンプ１０８の入出力間に設けられているが、この従来例では、積分用演算アンプ１０８の正側入力端子と基準電圧源１０６との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３が設けられている。また、増幅回路１０７は一段構成の正転増幅回路であるが、反転増幅回路１１０により構成されている。増幅回路１０７は一段構成ではなく多段にする構成もとり得る。

特開２００９−１１５４８４号公報

静電気保護回路には微小な順方向リーク電流が発生し、その電流量は温度に従って指数関数的に増大することが知られている。圧電センサの積分用演算アンプ１０８の入力部分に設けられた静電気保護回路１０５で発生したリーク電流は、放電抵抗１０３を通って演算アンプ１０８の出力に流れるため、リーク電流値と放電抵抗１０３の抵抗値を乗算した電圧が演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１に表れる。そしてこの電圧は、さらに後段の増幅回路１０７で増幅され、出力信号Ｖｏｕｔのオフセット電圧変動をもたらす。

放電抵抗１０３は、前述のように時定数を確保するため非常に高い抵抗値のものを使用するため、その分リーク電流によるオフセット電圧は大きくなる。一般に静電気保護回路１０５のリーク電流は、常温ではフェムトアンペア以下のオーダーであるため、オフセット電圧の変動はわずかなものに収まるが、１００℃を越えるような高温環境下においては、リーク電流が数百ピコ〜数ナノアンペアオーダーまで増大し、オフセット電圧の変動が飛躍的に増大してしまう。

例えば自動車エンジンの燃焼圧センサのように、高温環境下での測定が必要な用途においては、上記リーク電流によるオフセット電圧変動の影響が無視できなくなり、正しい測定値の取得が困難になる。図７は、圧力センサの出力信号の例を説明するための図であり、（ａ）はリーク電流が微小の場合の圧力センサの出力信号を示し、（ｂ）はリーク電流が大きい場合の出力信号を示している。図７に示すように、圧力センサの出力信号はオフセット電圧によりオフセットされている。リーク電流が微小の場合は、予め定められた有効電圧範囲内に出力信号は収まるが、リーク電流が大きい場合には出力信号のオフセット電圧の変動により、有効電圧範囲で出力電圧が飽和してしまい、測定値が取得できない等の深刻な弊害を生じる。

なお、演算アンプ１０８の入力端子に生じるリーク電流としては、静電気保護回路が原因で発生するものの他に、回路が実装されるプリント基板の表面リーク電流等があるが、この場合も同様に上記問題が発生する。

本発明は、以上の課題を解決するために成されたもので、積分用演算アンプ入力に大きなリーク電流が発生した場合でも、正確な出力を得ることができる圧電センサを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の圧電センサは、物理量を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から入力された交流電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、前記積分回路の負側入力端子と出力端との間に充電容量と放電抵抗とが並列に接続されており、前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗を介して前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源とが接続されていることを特徴とする。

また、物理量を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から入力された交流電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源との間に前記充電容量および前記放電抵抗が接続されており、前記積分回路の負側入力端子と出力端子との間に前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗が接続されている圧電センサとする。

さらに前記リーク補償抵抗は前記放電抵抗と等しい抵抗値であることを特徴とする。

さらに、前記静電気保護回路は、前記積分回路の入力端子と高電位を供給する第１の電源線、および前記積分回路の入力端子と低電位または接地電位を供給する第２の電源線との間にそれぞれ接続されたダイオードにより構成されている圧電センサとする。

さらに前記静電気保護回路は、前記積分回路の正側入力端子および負側入力端子のそれぞれに備えている圧電センサとする。

さらに、少なくとも、前記積分回路、前記増幅回路および前記基準電圧源が単一集積回路化されている圧電センサとする。

本発明によれば、圧電センサの静電気保護回路に発生したリーク電流による圧電センサの出力変動を抑制することができ、正確な出力を得ることができる。

本発明の圧電センサについて、その具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。なお、従来例と同様の構成については、同一の符号を用いて説明する。

図１は、本発明の圧電センサの一実施例を示す図である。本発明の圧電センサは、加わった圧力に応じて電荷信号を出力する圧電素子１０１と、積分演算アンプ１０８と充電容量１０４、放電抵抗１０３で構成され圧電素子１０１から出力された電荷信号を積分することで電圧信号に変換する積分回路と、オペアンプと帰還抵抗で構成され変換後の電圧信号を増幅して外部に出力する増幅回路１０７と、基準電圧源１０８と、静電気保護回路１１２、１１３とを備える。積分演算アンプ１０８、増幅回路１０７、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３は集積回路化され集積回路１０９を構成している。

圧電素子１０１は、圧電体に形成された一対の電極の一方が接地され、他方の電極が直流遮断容量１０２を介して積分演算アンプ１０８の負側入力端子に接続されている。積分演算アンプ１０８は、負側入力端子と出力端子との間に放電抵抗１０３と充電容量１０４が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源１０６が接続されている。

積分用演算アンプ１０８の後段には、積分演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１を増幅する正転増幅回路によって構成される増幅回路１０７が接続され、増幅回路１０７は基準電圧源１０６と接続されている。基準電圧源１０６は、演算アンプ１０８および増幅回路１０７に所定のバイアス電圧を与え、増幅回路１０７のオフセット電圧を規定しており、例えば、トランジスタのバンドギャップ電圧を利用した電圧レギュレータ回路等が使用される。

また、積分用演算アンプ１０８の正側および負側の入力端子と高電位を供給する電源線、および積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と低電位または接地電位を供給する電源線の間には、ダイオードのブレークダウン特性を利用する逆方向ダイオードがそれぞれ接続された静電気保護回路１１２、１１３が構成されている。静電気保護回路１１２および１１３は、同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同一なものを使用している。

さらに積分演算アンプ１０８の正側入力端子は、集積回路１０９の外部に出力され、放電抵抗１０３と同じ抵抗値のリーク補償抵抗１１１を介して基準電圧源１０６に接続されている。

本実施例に記載されるように、静電気保護回路１１２と１１３の、構成、サイズおよびレイアウトを同一形状とすることで、積分用演算アンプ１０８の正負それぞれの入力端子に発生するリーク電流は、温度が変化した場合でも常にほぼ一致する。積分用演算アンプ１０８の両入力端子に発生するリーク電流をＩｌｋとしたとき、積分用演算アンプ１０８の出力電圧Ｖｏ１は、入力検知電流を積分して得られる検知電圧Ｖｓｅと、負側入端子のオフセット電圧Ｖｉｍと、負側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋと放電抵抗１０３の値Ｒｄｃによる電圧降下を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｉｍ−Ｉｌｋ×Ｒｄｃ

一方積分用演算アンプ１０８の正側入力端子に発生したリーク電流Ｉｌｋにより、正側入力端子電圧Ｖｉｐは、基準電圧源１０６の出力電圧Ｖｒｆに、リーク電流Ｉｌｋとリーク補償抵抗１１３の値Ｒｃｐの積に等しい電圧を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｉｐ＝Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｃｐ

ここで、積分用演算アンプ１０８のイマジナリーショート作用により、正負入力端子の電圧ＶｉｍとＶｉｐとは等しくなるので、結局、積分用演算アンプ１０８の出力電圧Ｖｏ１は以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｃｐ−Ｉｌｋ×Ｒｄｃ
放電抵抗１０３の値Ｒｄｃと、リーク補償抵抗１１３の値Ｒｃｐの値を等しく設定しておけば、リーク電流によるオフセットの項は相殺され、
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ
となり、積分用演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１および、それを増幅して得られる検知信号Ｖｏｕｔは、リーク電流によるオフセット電圧変動が完全に補償された検知信号となる。

静電気保護回路１１２および１１３のリーク電流Ｉｌｋの向きは、保護回路構造やサイズによって正負のいずれの場合もあり、また温度によってリーク電流の向きが変化する場合もある。上記数式からわかるように本発明では、リーク電流の向きが正負いずれであっても（Ｉｌｋの値が正負いずれであっても）、リーク電流による電圧変動項は必ず相殺され、リーク電流によるオフセット電圧変動は補償される。

図１には示していないが、集積回路１０９において、積分用演算アンプ１０８の入力端子以外の端子にも、当然静電気保護回路は設けられている。しかしこれらの端子は入出力インピーダンスの低い回路に接続されているため、保護回路で発生したリーク電流はそれら回路に吸収され、リーク電流による問題は起こらない。

これに対して積分用演算アンプ１０８の入力端子は、高いインピーダンスに作られており、静電気保護回路１１３で発生したリーク電流は、演算アンプ１０８の入力端子には吸収されず、放電抵抗１０３に流れてオフセット電圧を発生させてしまう。

本発明の圧電センサは、例えば自動車エンジンの燃焼圧を測定する燃焼圧センサとして利用される。図６は自動車エンジンの燃焼圧を測定する圧電センサの簡易構造図である。圧電センサは、エンジン本体に取り付けるため筐体６０１の前部は細長い筒状になっており、先端部６０２に圧電素子１０１が、圧力を伝えるダイヤフラム６０４とともに設けられている。

圧電素子１０１の両端には電極６０５および６０６が設けられており、回路側の電極６０６で発生した検知信号は、導線６０８を通って、回路基板６０７に入力する。回路基板６０７には圧電素子１０１から発生した検知信号を処理するため、前述の積分回路や増幅回路等を備えている。また、ダイヤフラム側の電極６０５は、ダイヤフラム６０４を介して筐体６０１に接触しており、筐体６０１を接地することで、接地電位が与えられる。

圧電素子１０１の電極６０５および６０６から電荷信号は発生するが、図６のような構造の場合、ダイヤフラム側の電極６０５から配線を引き回して、回路基板６０７に入力する構造では非常に複雑な構成となるため、ダイヤフラム側の電極６０５は接地させ、回路側電極６０６からのみ検知信号を取る構成が一般に用いられている。

図２は本発明の圧電センサの他の構成例を示す図である。実施例１と同様に本発明の圧電センサは、圧電素子１０１と、積分用演算アンプ１０８、放電抵抗１０３、充電抵抗１０４とで構成された積分回路、往復回路１１０、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３、リーク補償抵抗１１１を備えている。実施例１の圧電センサでは、充電容量１０４と放電抵抗１０３は積分用演算アンプ１０８の入出力端子間に設けているが、本実施例では、積分用演算アンプ１０８の正側入力端子と基準電圧源１０６との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３を設けている。また、増幅回路１１０は反転増幅回路により構成され、基準電圧源１０６と接続されている。

さらに積分用演算アンプ１０８の負側入力端子は、積分用演算アンプ１０８、増幅回路１１０、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３とで構成された集積回路１０９の外部に出力し、放電抵抗１０３と同じ抵抗値のリーク補償抵抗１１１を介して積分用演算アンプ１０８の出力端子に接続している。ここで、積分用演算アンプ１０８の正負入力端子の静電気保護回路１１２および１１３は、実施例１で述べた構成と同様、同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同じものを使用している。

積分用演算アンプ１０８の両入力端子に発生するリーク電流をＩｌｋとしたとき、正側入力端子電圧Ｖｉｐは、入力検知電流を積分した検知電圧Ｖｓｅと、基準電圧源１０６の電圧Ｖｒｆと、正側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋと放電抵抗１０３の値Ｒｄｃを乗じた電圧を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｉｐ＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｄｃ

積分回路の出力Ｖｏ１は、積分用演算アンプ１０８の負側入端子の電圧Ｖｉｍと、負側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋとリーク補償抵抗１１１の値Ｒｃｐによる電圧降下を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｉｍ−Ｉｌｋ×Ｒｃｐ

演算アンプ１０８のイマジナリーショート作用により、積分用演算アンプ１０８の正負入力端子の電圧ＶｉｍとＶｉｐは等しくなるので、出力電圧Ｖｏ１は以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｄｃ−Ｉｌｋ×Ｒｃｐ
放電抵抗１０３の値Ｒｄｃと、リーク補償抵抗１１１の値Ｒｃｐを等しく設定しておけば、リーク電流による電圧変動の項は相殺され、
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ
となり、リーク電流によるオフセット電圧変動は完全に補償される。

上記数式からわかるように本発明では、リーク電流の向きが正負いずれであっても（Ｉｌｋの値が正負いずれであっても）、オフセット項は相殺され、リーク電流によるオフセット電圧変動は発生しない。

以上、本発明の圧電センサについて説明してきたが、本発明の圧電センサは上述した実施例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、種々変更を加え得ることが可能である。例えば、実施例においてはリーク補償抵抗と放電抵抗を同一の抵抗値としているが、同一の抵抗値としなくともリーク電流に起因するオフセット電圧の変動は相殺とはいかないまでも抑えることは可能である。さらに、実施例では積分用演算アンプの正負入力端子のそれぞれに静電気保護回路を設けているが、どちらか一方のみに静電気保護回路を設けてもよく、また静電気保護回路を積分用演算アンプの正負入力端子の両方に設けた構成においても、それぞれの静電気保護回路を同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同じものを使用しなくとも本発明の効果は発揮される。

本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例１） 本発明の圧電センサの他の実施例を示す図（実施例２） 従来の圧電センサの構成例を示す図 静電気保護回路の別の構成例を示す図 従来の圧電センサの他の構成例を示す図 自動車エンジンの燃焼圧を測定する圧電センサの簡易構造図 圧力センサの出力信号の例を説明するための図

１０１ 圧電素子
１０２ 直流遮断容量
１０３ 放電抵抗
１０４ 充電容量
１０５、１１２，１１３ 静電気保護回路
１０６ 基準電圧源
１０７、１１０ 増幅回路
１０８ 積分用演算アンプ
１０９ 集積回路
１１１ リーク補償抵抗
４０１、４０２ ゲート接地トランジスタ
６０１ 筐体
６０２ 先端部
６０４ ダイヤフラム
６０５ ダイヤフラム側電極
６０６ 回路基板側電極
６０７ 回路基板
６０８ 導線

Claims (6)

1. 物理量を検知するための圧電素子と、
   前記圧電素子から入力された交流電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
   前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
   前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、
   前記積分回路の負側入力端子と出力端との間に充電容量と放電抵抗とが並列に接続されており、前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗を介して前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源とが接続されていることを特徴とする圧電センサ。
2. 物理量を検知するための圧電素子と、
   前記圧電素子から入力された交流電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
   前記積分回路の出力を増幅する増幅回路と、
   前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
   前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、
   前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源との間に前記充電容量および前記放電抵抗が接続されており、前記積分回路の負側入力端子と出力端子との間に前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗が接続されていることを特徴とする圧電センサ。
3. 前記リーク補償抵抗は前記放電抵抗と等しい抵抗値であることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電センサ。
4. 前記静電気保護回路は、前記積分回路の入力端子と高電位を供給する第１の電源線、および前記積分回路の入力端子と低電位または接地電位を供給する第２の電源線との間にそれぞれ接続されたダイオードにより構成されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか一項に記載の圧電センサ。
5. 前記静電気保護回路は、前記積分回路の正側入力端子および負側入力端子のそれぞれに備えていることを請求項１〜４いずれか一項に記載の圧電センサ。
6. 少なくとも、前記積分回路、前記増幅回路および前記基準電圧源が単一集積回路化されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか一項に記載の圧電センサ。

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