JP2017161337A - 検出装置および検出システム - Google Patents

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Abstract

【課題】検出装置の処理回路に、外部から侵入してくるノイズを低減する。
【解決手段】内燃機関の燃焼圧を検出する圧力検出装置は、燃焼室内の圧力に応じた電荷信号を出力する圧電素子10と、圧電素子10が出力する電荷信号を積分する積分回路212および積分で得られた電圧信号を増幅する増幅回路213を実装してなる実装基板210とを有する。この実装基板210には、制御装置から電源電圧を受電する受電端子211aと、制御装置に向けて増幅後の出力信号を出力する出力端子211bと、制御装置および実装基板210のグランドを共通化するための接地端子211cとが設けられる。そして、実装基板210において、接地端子211cと積分回路212および増幅回路213の各接地端とを、接地用フェライトビーズ216を介して接続する。
【選択図】図7

Description

本発明は、物理量を検出する検出装置および検出システムに関する。
例えば内燃機関を有する自動車等の装置に対し、内燃機関の燃焼圧を検出する燃焼圧検出装置を搭載することが検討されている。このような装置では、燃焼圧検出装置による燃焼圧の検出結果に基づき、ECU(Engine Control Unit)と呼ばれる制御装置が、内燃機関の動作等に関する制御を行う。
例えば特許文献1には、内燃機関の燃焼圧を検出する圧電素子と圧電素子の検出信号に処理を施す処理回路とを内蔵する圧力検出装置と、処理回路から出力される出力信号に基づく制御を行う制御装置とを、制御装置から圧力検出装置に給電を行うための電線、圧力検出装置から制御装置に信号を送るための電線、および、制御装置と圧力検出装置とのグランドを共通にするための電線、を用いて接続することが記載されている。
特開2013−156171号公報
ここで、制御装置と検出装置とを、電線を介して接続する構成を採用した場合、外部からの電波等に対して、電線がアンテナとして機能してしまうことがある。すると、電線を介して、検出装置の処理回路にノイズが侵入し、結果として、処理回路から出力される信号にノイズが重畳されてしまうことがあった。
本発明は、検出装置の処理回路に、外部から侵入してくるノイズを低減することを目的とする。
本発明の検出装置は、物理量の変化を検出する検出素子と、前記検出素子が出力する検出信号に電気的な処理を施す処理回路と、外部に設けられた接地体に接続される接地端子と、誘導性を示し且つ前記接地端子と前記処理回路におけるグランドとに接続される誘導性素子とを含む。
ここで前記誘導性素子が、低周波領域ではリアクタンス成分が支配的となり、高周波領域では抵抗成分が支配的となる誘導/抵抗素子で構成されるとよい。
また、前記誘導/抵抗素子のリアクタンス成分の大きさが、0Hzを超え且つ400MHz以下の周波数範囲において0Ω超であるとよい。
さらに、前記誘導/抵抗素子のインピーダンスの大きさが、100MHzにおいて0Ωを超え且つ50Ω以下であるとよい。
さらにまた、前記誘導/抵抗素子がフェライトビーズで構成されるとともに、当該フェライトビーズの自己共振周波数が400MHz超であるとよい。
また、他の観点から捉えると、本発明の検出システムは、物理量の変化を検出する検出素子と、当該検出素子が出力する検出信号に電気的な処理を施す処理回路と、外部に設けられた接地体に接続される接地端子と、誘導性を示し且つ当該接地端子と当該処理回路におけるグランドとに接続される誘導性素子とを含む検出装置と、前記処理回路に電源電圧を供給するための供給線と、当該処理回路から出力される出力信号を伝送するための伝送線と、当該処理回路の前記接地端子と接続するための接地線とを介して前記検出装置に接続され、当該検出装置に当該電源電圧を供給するとともに当該検出装置から入力される当該出力信号に処理を施す供給/処理装置とを含む。
本発明によれば、検出装置の処理回路に、外部から侵入してくるノイズを低減することができる。
実施の形態に係る内燃機関の概略構成図である。 図1に示す圧力検出装置のII部の拡大図である。 圧力検出装置の概略構成図である。 図3に示す圧力検出装置のIV−IV部の断面図である。 図4に示す圧力検出装置のV部の拡大図である。 図4に示す圧力検出装置のVI部の拡大図である。 実装基板の回路構成を示す図である。 各実施例および比較例のそれぞれで用いた、受電用フェライトビーズ、出力用フェライトビーズおよび接地用ビーズの型番を説明するための図である。 (a)〜(g)は、各実施例および比較例で用いた各種フェライトビーズのインピーダンスの周波数特性を説明するための図である。 各実施例および比較例で用いた各種フェライトビーズの各種特性を、一覧として示す図である。 (a)〜(h)は、各実施例および比較例のBCI試験の結果を、グラフとして示す図である。 各実施例および比較例のBCI試験の結果を、一覧として示す図である。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
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。ここで、本実施形態では、圧力検出装置5が検出装置の一例として、また、制御装置6が供給/処理装置の一例として、さらに、圧力検出装置5、制御装置6および伝送ケーブル8が検出システムの一例として、それぞれ機能している。
そして、伝送ケーブル8は、図2に示すように、3本のケーブルすなわち第1ケーブル81、第2ケーブル82および第3ケーブル83と、これら第1ケーブル81〜第3ケーブル83を圧力検出装置5に接続するためのコネクタ80とを有している。これらのうち、第1ケーブル81は、制御装置6から圧力検出装置5に、電源電圧を供給するために用いられる。また、第2ケーブル82は、圧力検出装置5から制御装置6に、検出した圧力の大きさに応じた出力信号を伝送するために用いられる。さらに、第3ケーブル83は、圧力検出装置5のグランドと制御装置6のグランドとを共通にするために用いられる。ここで、第1ケーブル81、第2ケーブル82および第3ケーブル83は、それぞれ、錫メッキ軟銅撚り線からなる導体部の外周面に、樹脂製の絶縁体を被覆してなる絶縁電線にて構成されている。なお、本実施形態では、第1ケーブル81が供給線の一例として、第2ケーブル82が伝送線の一例として、第3ケーブル83が接地線の一例として、それぞれ機能している。なお、第3ケーブル83は、制御装置6のグランドを介して、内燃機関1が装着された自動車のバッテリー車体等からなる接地体(図示せず)に接続される。
本実施形態の伝送ケーブル8では、第2ケーブル82と第3ケーブル83とが対よりされることでツイストペアケーブルを構成している。そして、このツイストペアケーブルには、錫メッキ軟銅撚り線からなるドレンワイヤ(図示せず)が縦添えされるとともに、PETテープの片面(ドレンワイヤと接する側)にアルミ蒸着を施したアルミマイラーテープ(図示せず)が巻き回されている。なお、ドレンワイヤは、第2ケーブル82および第3ケーブル83とともに撚られていてもよいし、アルミマイラーテープは、縦添えされていてもよい。一方、この伝送ケーブル8における第1ケーブル81は、アルミマイラーテープの外側に存在していることになる。そして、伝送ケーブル8に設けられたドレンワイヤは、片端接地あるいは両端接地される。これにより、第2ケーブル82および第3ケーブル83は、静電遮へいされた状態となっている。
また、図2に示すように、シリンダヘッド4には、燃焼室Cと外部とを連通する連通孔4aが形成されている。連通孔4aは、燃焼室C側から、第1孔部4bと、第1孔部4bの孔径から徐々に径が拡大している傾斜部4cと、第1孔部4bの孔径よりも孔径が大きい第2孔部4dと、を有している。第2孔部4dを形成する周囲の壁には、圧力検出装置5に形成された後述するハウジング30の雄ねじ332aがねじ込まれる雌ねじ4eが形成されている。
以下に、圧力検出装置5について詳述する。
図3は、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。
圧力検出装置5は、燃焼室C内の圧力を電気信号に変換する圧電素子10を有するセンサ部100と、センサ部100からの電気信号を処理する信号処理部200と、信号処理部200を保持する保持部材300と、を備えている。この圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100の後述するダイアフラムヘッド40の方から先に、シリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していく。以下の説明において、図4の左側を圧力検出装置5の先端側、右側を圧力検出装置5の後端側とする。
先ずは、センサ部100について説明する。
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、ハウジング30における先端側の開口部を塞ぐように設けられて、燃焼室C内の圧力が作用するダイアフラムヘッド40と、ダイアフラムヘッド40と圧電素子10との間に設けられた第1電極部50と、圧電素子10に対して第1電極部50とは反対側に配置された第2電極部55と、を備えている。
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。
検出素子の一例としての圧電素子10は、圧電縦効果の圧電作用を示す圧電体を有している。圧電縦効果とは、圧電体の電荷発生軸と同一方向の応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。本実施形態に係る圧電素子10は、中心線方向が応力印加軸の方向となるようにハウジング30内に収納されている。
次に、圧電素子10に圧電横効果を利用した場合を例示する。圧電横効果とは、圧電体の電荷発生軸に対して直交する位置にある応力印加軸に外力を作用させると、電荷発生軸方向の圧電体の表面に電荷が発生する作用をいう。薄板状に薄く形成した圧電体を複数枚積層して構成しても良く、このように積層することで、圧電体に発生する電荷を効率的に集めてセンサの感度を上げることができる。圧電体としては、圧電縦効果及び圧電横効果を有するランガサイト系結晶(ランガサイト、ランガテイト、ランガナイト、LGTA)や水晶、ガリウムリン酸塩などを使用することを例示することができる。なお、本実施形態の圧電素子10には、圧電体としてランガサイト単結晶を用いている。
ハウジング30は、図5に示すように、先端側に設けられた第1ハウジング31と、後端側に設けられた第2ハウジング32と、を有する。
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。
第2ハウジング32は、図4に示すように、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320が形成された筒状の部材であり、外部に、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外周面330が設けられている。
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。
外周面330は、先端側から後端側にかけて、第1外周面331と、第1外周面331の外径よりも大きな外径の第2外周面332と、第2外周面332の外径よりも大きな外径の第3外周面333と、第3外周面333の外径よりも大きな外径の第4外周面334と、第4外周面334の外径よりも小さな外径の第5外周面335と、から構成される。
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。
また、図6に示すように、第2ハウジング32は、第4円柱孔324から第5円柱孔325への移行部分であり、第5円柱孔325(図4参照)における先端部には、信号処理部200の後述する覆い部材23の基板被覆部232における先端側の端面が突き当たる突当面340が設けられている。突当面340には、後述する信号処理部200における回路基板部21の入力側第2接続ピン21bが差し込まれるピン用凹部340aが形成されている。
第1ハウジング31および第2ハウジング32は、燃焼室Cに近い位置に存在するため、少なくとも、−40〜350〔℃〕の使用温度環境に耐える材料を用いて製作することが望ましい。また、第1ハウジング31および第2ハウジング32は、ハウジング30内に収容される各部の接地に使用されることから、導電性を有する材料を用いて製作することが望ましい。具体的には、導電性を有し且つ耐熱性の高いステンレス鋼材、例えば、JIS規格のSUS630、SUS316、SUS430等を用いることが望ましい。
ダイアフラムヘッド40は、図5に示すように、円筒状の円筒状部41と、円筒状部41の内側に形成された内側部42と、を有している。
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、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部材であり、第1円柱部51と、第1円柱部51の半径よりも大きな半径の第2円柱部52と、から構成される。第1円柱部51の外径はダイアフラムヘッド40の進入部41aの内径よりも小さく、第2円柱部52の外径は第1ハウジング31の第1孔311の孔径と略同じである。そして、第1円柱部51における先端側の端面がダイアフラムヘッド40の内側部42の突出部42aと、第2円柱部52における後端側の端面が圧電素子10における先端側の面とに接触するように配置される。第2円柱部52の外周面が第1ハウジング31の内周面と接触すること、および/または第1円柱部51における先端側の端面がダイアフラムヘッド40と接触することによって、圧電素子10における先端部は、ハウジング30と電気的に接続される。
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は、円柱状の部材であり、先端側の端面が圧電素子10における後端側の端面に接触し、後端側の端面が絶縁リング60に接触するように配置される。第2電極部55における後端側の端面には、この端面から後端側に突出する円柱状の突出部55aが設けられている。突出部55aは、端面側の基端部と、この基端部の外径よりも小さな外径の先端部と、を有する。突出部55aの外径は絶縁リング60の内径よりも小さく設定されるとともに、突出部55aの長さは絶縁リング60の幅(中心線方向の長さ)よりも長く設定され、突出部55aの先端が絶縁リング60から露出している。この第2電極部55は、第1電極部50との間で圧電素子10に対して一定の荷重を加えるように作用する部材であり、圧電素子10側(先端側)の端面は、圧電素子10の後端側の端面の全面を押すことが可能な大きさに形成されるとともに、平滑面且つ圧電素子10の後端側の端面と平行な面に形成されている。第2電極部55の外径は第1ハウジング31の第2孔312の孔径よりも小さくなるように設定されており、第2電極部55の外周面と第1ハウジング31の内周面との間には隙間がある。
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。
絶縁リング60は、アルミナセラミックス等により形成された円筒状の部材であり、内径(中央部の孔径)は、第2電極部55の突出部55aの基端部の外径よりもやや大きく、外径は、第1ハウジング31の第2孔312の孔径と略同じに設定されている。第2電極部55は、突出部55aが絶縁リング60の中央部の孔に挿入されて配置されることで、第2電極部55の中心位置と第1ハウジング31の第2孔312の中心とが同じになるように配置される。
支持部材65は、先端側から後端側にかけて、内部に、径が異なる複数の円柱状の孔650が形成され、外周面の径が同一の、筒状の部材である。
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。
コイルスプリング70は、内径が、第2電極部55の突出部55aにおける先端部の外径以上で基端部の外径より小さく、外径が、後述する伝導部材22の挿入孔22aの径よりも小さい。コイルスプリング70の内側に第2電極部55の突出部55aの先端部が挿入されるとともに、コイルスプリング70は、後述する伝導部材22の挿入孔22aに挿入される。コイルスプリング70の長さは、第2電極部55と伝導部材22との間に圧縮した状態で介在することができる長さに設定されている。コイルスプリング70の材質としては、弾性が高く、かつ耐久性、耐熱性、耐触性等に優れた合金を用いるとよい。また、コイルスプリング70の表面に金メッキを施すことで、電気伝導を高めるとよい。
次に、信号処理部200について説明する。
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(電荷信号)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。
回路基板部21は、センサ部100の圧電素子10から得られる微弱な電荷を増幅するための回路を構成する電子部品などが実装された実装基板210を有する。実装基板210における先端部には、伝導部材22における後端部を電気的に接続するための入力側第1接続ピン21aと、接地用および位置決め用の入力側第2接続ピン21bとが、半田付けなどにより接続されている。また、実装基板210における後端部には、伝送ケーブル8の先端部に設けられたコネクタ80を介して制御装置6と電気的に接続するための出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eが、半田付けなどにより接続されている。そして、出力側第1接続ピン21cは、制御装置6から実装基板210への電源電圧の供給に用いられ、出力側第2接続ピン21dは、実装基板210から制御装置6への出力電圧の供給に用いられ、出力側第3接続ピン21eは、制御装置6から実装基板210へのGND電圧の供給に用いられる。
伝導部材22は、棒状(円柱状)の部材であり、先端部には、第2電極部55の突出部55aの先端部が挿入される挿入孔22aが形成されている。伝導部材22における後端部は、回路基板部21の実装基板210に、導線(図示せず)および入力側第1接続ピン21aを介して電気的に接続される。伝導部材22の材質としては、真鍮及びベリリウム銅等を例示することができる。この場合、加工性およびコストの観点からは、真鍮が望ましい。これに対して、電気伝導性、高温強度、信頼性の観点からは、ベリリウム銅が望ましい。
覆い部材23は、伝導部材22の外周を覆う伝導部材被覆部231と、回路基板部21の実装基板210の側面および下面を覆う基板被覆部232と、実装基板210に接続された出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eの周囲を覆うとともに伝送ケーブル8の先端部に設けられたコネクタ80が嵌め込まれるコネクタ部233と、を有している。
伝導部材被覆部231は、図3に示すように、中心線方向に沿って延び、伝導部材22を先端部が露出するように覆っている。
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。
図3に示すように、伝導部材被覆部231には、伝導部材被覆部231の外周面から突出するとともに、それぞれが中心線方向に延びる複数の凸部250が設けられている。本実施形態では、凸部250は、伝導部材被覆部231の第2円筒部242における先端部に設けられる第1凸部251と、伝導部材被覆部231の第4円筒部244に設けられる第2凸部252を有する。
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。
信号処理部200においては、図5に示すように、第2円筒部242に設けられた4個の第1凸部251が、それぞれ第2ハウジング32における第2円柱孔322を形成する壁に当接する。また、図6に示すように、第4円筒部244に設けられた複数の第2凸部252が、それぞれ第2ハウジング32における第4円柱孔324を形成する壁に当接する。これにより、伝導部材被覆部231が第2ハウジング32に支持されることになる。
基板被覆部232は、基本的には円筒状の部位であり、その側面には、実装基板210を内部に設置するための矩形の開口部232aが設けられている。また、基板被覆部232における後端側には、ハウジング30内および実装基板210設置部を密封するためのOリング26用のリング溝232bが形成されている。
コネクタ部233は、基板被覆部232における後端側の端面232cから突出し、実装基板210に接続された出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eの周囲を覆うように形成された薄肉の部位である。コネクタ部233における後端部は開口しており、内部に伝送ケーブル8の先端部に設けられたコネクタ80を受け入れることが可能になっている。また、コネクタ部233における後端側には、内部と外部とを連通する孔233aが形成されており、伝送ケーブル8のコネクタ80に設けられたフックがこの孔233aに引っ掛ることで、伝送ケーブル8のコネクタ80がコネクタ部233から脱落することが抑制される。
以上のように構成された覆い部材23は、樹脂などの絶縁性を有する材料にて成形されている。また、覆い部材23は、伝導部材22、入力側第1接続ピン21a、入力側第2接続ピン21b、出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eとともに一体成形されている。より具体的には、覆い部材23は、これら伝導部材22、入力側第1接続ピン21a、入力側第2接続ピン21b、出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eをセットした金型に加熱した樹脂が押し込まれることで成形される。
信号処理部200をユニット化するにあたっては、成形された覆い部材23の開口部232aから、回路基板部21の実装基板210を挿入し、基板被覆部232の中央部に設置する。実装基板210を設置する際、板厚方向に貫通されたスルーホールに、入力側第1接続ピン21a、入力側第2接続ピン21b、出力側第1接続ピン21c、出力側第2接続ピン21dおよび出力側第3接続ピン21eの各先端を通し、半田付けする。その後、入力側第1接続ピン21aと伝導部材22とを導線を用いて接続する。また、覆い部材23の基板被覆部232のリング溝232bにOリング26を装着する。Oリング26は、フッ素系ゴムからなる周知のO状のリングである。
次に、保持部材300について説明する。
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。
以上のように構成された圧力検出装置5をシリンダヘッド4に装着する際には、センサ部100のダイアフラムヘッド40の方から先にシリンダヘッド4に形成された連通孔4aに挿入していき、ハウジング30の第2ハウジング32に形成された雄ねじ332aをシリンダヘッド4の連通孔4aに形成された雌ねじ4eにねじ込む。
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。
ここで、図1等に示すシール部材7について説明する。
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の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(図3参照)との間に配置された第2シール部材72を有している。
続いて、信号処理部200の回路基板部21における実装基板210の構成について説明を行う。
図7は、実装基板210の回路構成を示す図である。
本実施形態の実装基板210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、積分回路212と増幅回路213とを備える。さらに、この実装基板210は、プリント配線基板211に実装された、受電用フェライトビーズ214と、出力用フェライトビーズ215と、接地用フェライトビーズ216とを備える。さらにまた、この実装基板210は、プリント配線基板211に実装された、出力用抵抗217と、受電用第1コンデンサ218と、受電用第2コンデンサ219と、出力用第1コンデンサ220と、出力用第2コンデンサ221とを備える。
本実施形態の実装基板210では、圧電素子10から入力されてくる電荷信号を、積分回路212で積分することで電圧信号に変換し、変換後の電圧信号を増幅回路213で増幅し、得られた出力信号を外部(例えば図1に示す制御装置6)に出力する。ここで、本実施形態では、積分回路212および増幅回路213が、処理回路の一例として機能している。
本実施形態では、プリント配線基板211としてガラス布基材エポキシ樹脂をベースとした所謂ガラエポ基板を用いている。そして、プリント配線基板211には、制御装置6に接続される出力側の端子として、受電端子211a、出力端子211bおよび接地端子211cが設けられている。これらのうち、受電端子211aは、出力側第1接続ピン21c(図4参照)を介して第1ケーブル81(図2参照)に接続される。また、出力端子211bは、出力側第2接続ピン21d(図4参照)を介して第2ケーブル82(図2参照)に接続される。さらに、接地端子211cは、出力側第3接続ピン21e(図4参照)を介して第3ケーブル83(図2参照)に接続される。
受電端子211aには、制御装置6から受電した電源電圧が供給される。また、受電端子211aは、受電用フェライトビーズ214を介して、積分回路212の受電端および増幅回路213の受電端に接続される。これにより、積分回路212および増幅回路213には、受電端子211aを介して電源電圧が供給される。さらに、受電端子211aと受電用フェライトビーズ214との間からは、受電用第1コンデンサ218が並列に接続され、受電用フェライトビーズ214と積分回路212および増幅回路213との間からは、受電用第2コンデンサ219が並列に接続される。
出力端子211bからは、制御装置6に向けた出力信号が出力される。このため、出力端子211bは、出力用フェライトビーズ215および出力用抵抗217を介して、増幅回路213の出力端に接続される。さらに、出力端子211bと出力用フェライトビーズ215との間からは、出力用第1コンデンサ220が並列に接続され、出力用フェライトビーズ215と出力用抵抗217との間からは、出力用第2コンデンサ221が並列に接続される。
接地端子211cには、制御装置6のグランドが接続される。また、接地端子211cは、接地用フェライトビーズ216を介して、積分回路212の接地端(グランド)および増幅回路213の接地端(グランド)に接続される。ここで、積分回路212の接地端および増幅回路213の接地端には、受電用第2コンデンサ219および出力用第2コンデンサ221も接続されている。さらに、接地端子211cと接地用フェライトビーズ216との間からは、この実装基板210のグランドが並列に接続される。ここで、実装基板210のグランドには、受電用第1コンデンサ218および出力用第1コンデンサ220も接続されている。
実装基板210に設けられた受電用フェライトビーズ214、出力用フェライトビーズ215および接地用フェライトビーズ216は、それぞれ、相対的に低周波数となる領域では、抵抗よりもインダクタンスが主体的となる一方、相対的に高周波数となる領域では、インダクタンスよりも抵抗が主体的となる回路素子である。ここで、本実施形態では、受電用フェライトビーズ214および出力用フェライトビーズ215として、100MHzにおけるインピーダンス値(以下では、静特性公称値と称する)が1000Ωとなる特性を有するものを用いている。また、本実施形態では、接地用フェライトビーズ216として、静特性公称値が、上記出力用フェライトビーズ215よりも小さい5Ωとなる特性を有するものを用いている。ここで、本実施形態では、接地用フェライトビーズ216が、誘導性素子あるいは誘導/抵抗素子の一例として機能している。
なお、受電用フェライトビーズ214、出力用フェライトビーズ215および接地用フェライトビーズ216に代えて、低周波数から高周波数にわたってインダクタンスとして機能するコイル(インダクタ)を用いてもよい。また、本実施形態では、受電端子211aを介した給電系統、出力端子211bを介した信号系統および接地端子211cを介した接地系統のそれぞれにフェライトビーズ(インダクタ)を設けているが、少なくとも接地系統に設けられていればよく、給電系統および信号系統については必須ではない。
本実施形態の圧力検出装置5では、実装基板210における接地系統に接地用フェライトビーズ216を直列に接続することにより、伝送ケーブル8等を介して外部から接地系統に侵入してくるノイズを低減することができる。これにより、実装基板210に設けられた積分回路212および増幅回路213のそれぞれにおけるグランド電位が安定することになり、増幅回路213から信号系統を介して出力される出力信号に重畳されるノイズを低減することが可能になる。
また、本実施形態の圧力検出装置5では、これに加えて、実装基板210における給電系統に受電用フェライトビーズ214を直列に接続するとともに、実装基板210における信号系統に出力用フェライトビーズ215を直列に接続するようにした。これにより、伝送ケーブル8等を介して外部から給電系統および信号系統に侵入してくるノイズを低減することができる。
以下、実施例に基づき本発明を更に詳細に説明する。ただし、本発明は、その要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。
本発明者は、実装基板210における各フェライトビーズの有無やその特性を異ならせた複数の圧力検出装置5を作製し、BCI(Bulk Current Injection)試験による評価を行った。
図8は、各実施例(実施例1〜7)および比較例のそれぞれで用いた、受電用フェライトビーズ214、出力用フェライトビーズ215および接地用フェライトビーズ216の型番を説明するための図である。なお、上記実施形態で説明した圧力検出装置5は、図8に示す実施例1に対応している。
では、各実施例(実施例1〜7)および比較例の共通点および相違点について、説明を行う。
まず、実施例1では、接地用フェライトビーズ216としてFB1(5Ω)を用いている。これに対し、実施例2では、接地用フェライトビーズ216としてFB2(10Ω)を、実施例3では、接地用フェライトビーズ216としてFB3(22Ω)を、実施例4では、接地用フェライトビーズ216としてFB4(47Ω)を、それぞれ用いている点で、実施例1と相違する。また、実施例5では、接地用フェライトビーズ216としてFB5(120Ω)を、実施例6では、接地用フェライトビーズ216としてFB6(470Ω)を、実施例7では、接地用フェライトビーズ216としてFB7(1000Ω)を、それぞれ用いている点で、実施例1と相違する。一方、比較例では、接地用フェライトビーズ216を用いていない(接続していない)点で、実施例1〜7と相違する。
また、実施例1〜7および比較例では、受電用フェライトビーズ214および出力用フェライトビーズ215として、それぞれ、FB7(1000Ω)を用いている点で共通する。
図9は、各実施例(実施例1〜7)および比較例で用いた各種フェライトビーズのインピーダンスの周波数特性を説明するための図である。ここで、図9(a)は実施例1で接地用フェライトビーズ216として使用したFB1(5Ω)の周波数特性を、図9(b)は実施例2で接地用フェライトビーズ216として使用したFB2(10Ω)の周波数特性を、図9(c)は実施例3で接地用フェライトビーズ216として使用したFB3(22Ω)の周波数特性を、それぞれ示している。また、図9(d)は、実施例4で接地用フェライトビーズ216として使用したFB4(47Ω)の周波数特性を、図9(e)は、実施例5で接地用フェライトビーズ216として使用したFB5(120Ω)の周波数特性を、図9(f)は、実施例6で接地用フェライトビーズ216として使用したFB6(470Ω)の周波数特性を、それぞれ示している。さらに、図9(g)は、実施例1〜7で受電用フェライトビーズ214および出力用フェライトビーズ215として使用し、また、実施例7で接地用フェライトビーズ216として使用したFB7(1000Ω)の周波数特性を示している。
ここで、図9(a)〜(g)のそれぞれにおいては、横軸が周波数(1〜3000MHz)となっており、縦軸がインピーダンス(Ω)となっている。また、図9(a)〜(g)には、インピーダンスとして、抵抗成分R、(誘導)リアクタンス成分X、そして、抵抗成分Rとリアクタンス成分Xとを合成したインピーダンス値Z(Z=R+jX)の3者が記載されている。
図9(a)〜(g)からも明らかなように、フェライトビーズは、相対的に低周波数となる領域ではインダクタンスとして機能する一方、相対的に高周波数となる領域では抵抗として機能する。ただし、100MHzにおけるインピーダンス値Zの大きさすなわち静特性公称値は、それぞれで異なる。また、抵抗成分Rとリアクタンス成分Xとが交差する周波数、すなわち、主たる機能がインダクタンスから抵抗(あるいは抵抗からインダクタンス)に切り替わるR−Xクロスポイントも、それぞれで異なる。さらに、インピーダンス値Zが極大を示す周波数、別の観点から見れば、リアクタンス成分Xが0となる自己共振周波数も、それぞれで異なる。なお、フェライトビーズのリアクタンス成分Xが0になるのは、自己共振周波数よりも高い周波数領域では、フェライトビーズがインダクタではなくコンデンサとして機能してしまうことによるものである。
図10は、各実施例(実施例1〜7)および比較例で用いた各種フェライトビーズの各種特性を、一覧として示す図である。ここで、図10は、各種フェライトビーズの型番と、その静特性公称値、R−Xクロスポイントおよび自己共振周波数とが対応付けられたものとなっている。
図9(a)および図10に示すように、FB1の静特性公称値は5Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは1300MHz程度であり、その自己共振周波数は3000MHz超である。
図9(b)および図10に示すように、FB2の静特性公称値は10Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは1000MHz程度であり、その自己共振周波数は1700MHz程度である。
図9(c)および図10に示すように、FB3の静特性公称値は22Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは800MHz程度であり、その自己共振周波数は1000MHz程度である。
図9(d)および図10に示すように、FB4の静特性公称値は47Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは200MHz程度であり、その自己共振周波数は1100MHz程度である。
図9(e)および図10に示すように、FB5の静特性公称値は120Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは180MHz程度であり、その自己共振周波数は600MHz程度である。
図9(f)および図10に示すように、FB6の静特性公称値は470Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは18MHz程度であり、その自己共振周波数は370MHz程度である。
図9(g)および図10に示すように、FB7の静特性公称値は1000Ωである。また、そのR−Xクロスポイントは180MHz程度であり、その自己共振周波数は420MHz程度である。
なお、フェライトビーズでは、静特性公称値が同じ大きさであっても、その周波数特性(R−Xクロスポイントおよび自己共振周波数を含む)が異なっている場合があり得る。
次に、圧力検出装置5の評価に用いたBCI試験について、簡単に説明を行う。
BCI試験は、自動車のEMC(Electromagnetic Compatibility)規格のうち、EMS(Electromagnetic Susceptibility)に対応するイミュニティ規格として定められたものであって、例えばISO11452−4:2011に規定されている。
なお、今回は、圧力検出装置5に伝送ケーブル8を取り付ける一方、圧力検出装置5のハウジング30を、空気層等を介して外部と絶縁した状態で、BCI試験を行った。ここで、伝送ケーブル8(第1ケーブル81〜第3ケーブル83)の長さは1mとした。また、BCI試験における、伝送ケーブル8に対するノイズの印加は、コネクタ80から150mmとなる位置に対して行った。さらに、伝送ケーブル8に印加するノイズをAM変調方式で作成するとともに、印加するノイズの周波数範囲を、0を超え且つ1000MHz(1GHz)以下とした。そして、伝送ケーブル8にノイズが印加された状態で、実装基板210に設けられた出力端子211bと接地端子211cとの間の電圧の変動量(以下では、出力電圧変動量と称する)を測定した。なお、ISO11452−4:2011では、印加するノイズの周波数範囲が1MHz〜400MHzと定められており、今回は、これよりも広い周波数範囲で測定を行うこととした。
図11は、各実施例(実施例1〜7)および比較例のBCI試験の結果を、グラフとして示す図である。ここで、図11(a)は実施例1の結果を、図11(b)は実施例2の結果を、図11(c)は実施例3の結果を、図11(d)は実施例4の結果を、図11(e)は実施例5の結果を、図11(f)は実施例6の結果を、図11(g)は実施例7の結果を、図11(h)は比較例の結果を、それぞれ示している。
ここで、図11(a)〜(h)のそれぞれにおいては、横軸が周波数(0〜1000MHz)となっており、縦軸が出力電圧変動量(mV)となっている。
図12は、各実施例(実施例1〜7)および比較例のBCI試験の結果を、一覧として示す図である。ここで、図12は、各実施例および比較例と、それぞれの出力電圧(出力信号)の最大値(MAX)および最小値(MIN)と、これら両者の差分である出力電圧の変動量とが対応付けられたものとなっている。ただし、図12には、ISO11452−4:2011に規定された周波数範囲(測定周波数:0〜400MHz)で測定した結果を「基本BCI試験結果」として記載するとともに、これよりも拡張された周波数範囲(0〜1000MHz)で測定した結果を「拡張BCI試験結果」として記載している。
最初に、測定周波数の範囲を0〜400MHzとした場合の、「基本BCI試験結果」について説明を行う。
実施例1では、出力電圧変動量が11mV(265MHz)であり、実施例2では、出力電圧変動量が5mV(265MHz)であり、実施例3では、出力電圧変動量が3mV(270MHz)であり、実施例4では、出力電圧変動量が2mV(265MHz)であった。また、実施例5では、出力電圧変動量が1mV(265MHzおよびその他多数の周波数)であり、実施例6では、出力電圧変動量が2mV(150MHzおよびその他多数の周波数)であり、実施例7では、出力電圧変動量が3mV(160MHz)であった。これに対し、比較例では、出力電圧変動量が56mV(265MHz)であった。
上述した「基本BCI試験結果」から、測定周波数が0〜400MHzの範囲においては、実施例1〜7のように、実装基板210の接地系統に接地用フェライトビーズ216を直列に接続することにより、比較例のように、実装基板210の接地系統に接地用フェライトビーズ216を直列に接続しない場合と比べて、出力電圧(出力信号)に重畳されるノイズが低減されていることがわかる。また、比較例のように、給電系統および信号系統のみにフェライトビーズを接続する(接地系統にはフェライトビーズを接続しない)構成とした場合には、出力電圧(出力信号)に重畳されるノイズが低減されないこともわかる。
続いて、測定周波数の範囲を0〜1000MHz(1GHz)とした場合の、「拡張BCI試験結果」について説明を行う。
実施例1では、出力電圧変動量が11mV(266MHz)であり、実施例2では、出力電圧変動量が20mV(566MHz)であり、実施例3では、出力電圧変動量が35mV(577MHz)であり、実施例4では、出力電圧変動量が54mV(566MHz)であった。また、実施例5では、出力電圧変動量が208mV(577MHz)であり、実施例6では、出力電圧変動量が1515mV以上(566MHz)であり、実施例7では、出力電圧変動量が1515mV以上(566MHz)であった。これに対し、比較例では、出力電圧変動量が1515mV以上(566MHz)であった。ここで、実施例で使用した測定系における出力電圧変動量の上限値が1515mVとなっている。したがって、「1515mV以上」というのは、出力電圧変動量の測定限界を超えていることを意味している。したがって、実施例6、7および比較例では、出力電圧の最大値(MAX)の上限を超える結果が得られており、実際の出力電圧変動量は、上記数値(1515mV)よりも大きいものと推定される。
上述した「拡張BCI試験結果」から、測定周波数が0〜1000MHzの範囲においては、実施例1〜3のように、実装基板210の接地系統に、測定周波数の範囲においてリアクタンス成分Xが0とはならない(0Ω超)接地用フェライトビーズ216を直列に接続することにより、実施例4〜7のように、実装基板210の接地系統に、測定周波数の範囲においてリアクタンス成分Xが0となる接地用フェライトビーズ216を直列に接続した場合と比べて、出力電圧(出力信号)に重畳されるノイズが低減されていることがわかる。また、当然のことながら、実施例1〜3のように、実装基板210の接地系統に、測定周波数の範囲においてリアクタンス成分Xが0とはならない接地用フェライトビーズ216を直列に接続することにより、比較例のように、実装基板210の接地系統に接地用フェライトビーズ216を直列に接続しない場合と比べて、出力電圧(出力信号)に重畳されるノイズが低減されていることもわかる。
ここで、測定周波数の範囲においてリアクタンス成分Xが0とはならないフェライトビーズとは、そのフェライトビーズの自己共振周波数が、測定周波数の範囲よりも高く設定されていることと同義である。
なお、本実施形態では、圧電素子10を用いて内燃機関1の燃焼圧を検出する圧力検出装置5を例として説明を行ったが、これに限られるものではない。例えば、温度、湿度あるいは流量など、各種物理量を検出する検出装置や、この検出装置を含む検出システムに適用してもかまわない。
1…内燃機関、2…シリンダブロック、3…ピストン、4…シリンダヘッド、5…圧力検出装置、6…制御装置、8…伝送ケーブル、10…圧電素子、21…回路基板部、22…伝導部材、23…覆い部材、30…ハウジング、80…コネクタ、81…第1ケーブル、82…第2ケーブル、83…第3ケーブル、100…センサ部、200…信号処理部、210…実装基板、211…プリント配線基板、212…積分回路、213…増幅回路、214…受電用フェライトビーズ、215…出力用フェライトビーズ、216…接地用フェライトビーズ、300…保持部材

Claims (6)

  1. 物理量の変化を検出する検出素子と、
    前記検出素子が出力する検出信号に電気的な処理を施す処理回路と、
    外部に設けられた接地体に接続される接地端子と、
    誘導性を示し且つ前記接地端子と前記処理回路におけるグランドとに接続される誘導性素子と
    を含む検出装置。
  2. 前記誘導性素子が、低周波領域ではリアクタンス成分が支配的となり、高周波領域では抵抗成分が支配的となる誘導/抵抗素子で構成されることを特徴とする請求項1記載の検出装置。
  3. 前記誘導/抵抗素子のリアクタンス成分の大きさが、0Hzを超え且つ400MHz以下の周波数範囲において0Ω超であることを特徴とする請求項2記載の検出装置。
  4. 前記誘導/抵抗素子のインピーダンスの大きさが、100MHzにおいて0Ωを超え且つ50Ω以下であることを特徴とする請求項2または3記載の検出装置。
  5. 前記誘導/抵抗素子がフェライトビーズで構成されるとともに、当該フェライトビーズの自己共振周波数が400MHz超であることを特徴とする請求項2乃至4のいずれか1項記載の検出装置。
  6. 物理量の変化を検出する検出素子と、当該検出素子が出力する検出信号に電気的な処理を施す処理回路と、外部に設けられた接地体に接続される接地端子と、誘導性を示し且つ当該接地端子と当該処理回路におけるグランドとに接続される誘導性素子とを含む検出装置と、
    前記処理回路に電源電圧を供給するための供給線と、当該処理回路から出力される出力信号を伝送するための伝送線と、当該処理回路の前記接地端子と接続するための接地線とを介して前記検出装置に接続され、当該検出装置に当該電源電圧を供給するとともに当該検出装置から入力される当該出力信号に処理を施す供給/処理装置と
    を含む検出システム。
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