JP2020084804A - 圧力検出信号処理装置、エンジン制御システム、および、プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子におけるドリフトを除去して、高精度の圧力検出信号をえることを簡易な構成で行う。【解決手段】受圧に応じて圧電素子３５により生起された電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換するＩＶ変換部２１０と、電圧信号に対して、圧電素子３５の漏れ電流に起因するドリフトを除去する補正をデジタル信号処理で施すデジタル信号処理部２２０、２４０とを備える。デジタル信号処理部２２０、２４０は、電圧信号に対して微分処理を施す微分処理部２２２と、この微分処理を施した信号に対して積分処理を施す積分処理部２２４と、この積分処理を施した信号に対してさらに積分処理を施す積分処理部２２６と、を含んで成る。【選択図】図３

Description

本発明は、圧電素子を含む圧力センサの圧力検出信号に対して信号処理を施す圧力検出信号処理装置、エンジン制御システム、および、プログラムに関する。

受圧の強度に応じて電荷を出力する圧電素子を含んで成る圧力センサから出力される圧力検出信号に対する信号処理回路として、例えば、チャージアンプを含む構成が提案されている。チャージアンプは、オペアンプに並列に帰還抵抗と帰還容量とを接続して、オペアンプが負帰還接続される構成である。

チャージアンプを含む圧力検出信号処理回路にあっては、圧電素子の漏れ電流が圧力検出信号のドリフトとなるので、ドリフトの影響を除去する補正回路等を設ける必要があった。

そこで、圧電素子とチャージアンプとの間に直流アイソレータを介在させる回路構成が提案されている（例えば特許文献１参照。）。この直流アイソレータは、直流成分を遮断して圧力検出信号を通過させるもので、コンデンサで構成されている。つまり、圧電素子の漏れ電流は、ドリフトとして作用するが、比較的長時間であっても安定した大きさを維持する直流成分とも見なせるため、この直流成分をコンデンサで遮断している。

特開２００９−１１５４８４号公報（第２−７頁、第１図）

しかしながら、技術文献１に記載の構成によれば、直流アイソレータであるコンデンサの容量が、圧電素子のインピーダンスの大きさに依存する。このため、圧電素子のインピーダンスが小さい場合には、コンデンサの容量が大きくなってしまうという問題があった。コンデンサの容量が大きくなると、電子基板表面に占めるコンデンサの装着面積が大きくなるなどの課題があった。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で、圧電素子のドリフトを除去して、精度の良い圧力検出信号を得ることを可能にする圧力検出信号処理装置、エンジン制御システム、および、プログラムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る圧力検出信号処理装置は、受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す装置であって、
電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換するＩＶ変換部と、
電圧信号に対して、圧電素子のドリフトを除去する補正をデジタル信号処理で施すデジタル信号処理部と、を備えた。

具体的には、当該デジタル信号処理部は、
電圧信号に対して微分処理を施す微分処理部と、
微分処理を施した信号に対して積分処理を施す第１積分処理部と、
積分処理を施した信号に対して積分処理を施す第２積分処理部と、を含んでもよい。

本発明の他の態様に係る圧力検出信号処理装置は、受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す装置であって、
電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換するＩＶ変換部と、
電圧信号の特定の周波数帯の成分を抽出する抽出部と、
電圧信号と抽出された信号である抽出信号とに基づいて、圧電素子のドリフトを除去する補正処理をデジタル信号処理で施すデジタル信号処理部と、を備えた圧力検出信号処理装置である。

具体的には、デジタル信号処理部は、電圧信号と抽出信号との減算結果を示す減算信号を求める減算処理部と、減算信号に対して積分処理を施す積分処理部と、を含んでもよい。

この態様の装置において、抽出部は、所定の低周波数帯域の成分を抽出するローパスフィルタで実現してもよい。また、ＩＶ変換部は、抵抗で負帰還接続したオペアンプを含んでもよい。

そして、上記の圧力検出信号処理装置と、圧力検出信号処理装置からの出力信号に基づいて、エンジンの制御を行う制御部と、を備えたエンジン制御システムを提供してもよい。また、デジタル信号処理部は、ローパスフィルタのカットオフ周波数をエンジンの回転数に応じて変更してもよい。

本発明の他の態様に係るプログラムは、受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す圧力検出信号装置に、
電荷に対応する電流信号からＩＶ変換部で変換された電圧信号に対して、圧電素子のドリフトを除去する補正処理を施す信号処理機能を実現する。

具体的には、信号処理機能は、電圧信号に対して微分処理を施す微分処理機能と、微分処理を施した信号に対して積分処理を施す第１積分機能と、積分処理を施した信号に対して積分処理を施す第２積分機能と、を含んでもよい。

本発明の他の態様に係るプログラムは、受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す圧力検出信号装置に、
電荷に対応する電流信号からＩＶ変換部で変換された電圧信号と、当該電圧信号の特定の周波数成分を抽出した抽出信号とに基づいて、
圧電素子のドリフトを除去する補正処理を施す信号処理機能を実現する。

この他のプログラムにおける信号処理機能は、電圧信号と抽出信号との減算結果を示す減算信号を求める減算処理機能と、減算信号に対して積分処理を施す積分機能と、を含んでもよい。

本発明によれば、簡易な構成で、圧電素子のドリフトを除去して、精度良い圧力検出を得ることができる圧力検出信号処理装置、エンジン制御システム、および、プログラムを簡易な構成で提供することができるという効果が得られる。

エンジン制御システム３００の模式的な構成図である。 ＥＣＵ１００の機能構成図である。 第１実施形態の圧力検出信号処理装置２００の構成図である。 圧力センサ３０の構成を示す模式的説明図である。 ＩＶ変換部２１０の構成例である。 ローパスフィルタ２５０の構成例である。 従来例と、ＩＶ変換部２１０の出力の説明図である。 圧力検出信号処理装置２００の動作の説明図である。 第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１の構成図である。 圧力検出信号処理装置２０１の動作の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。以下に説明する本発明の実施形態は一例であり、本発明は、以下の実施形態に限定されず、以下の実施形態に対して種々の変形、変更が可能である。

（エンジン制御システム３００の概要）
図１は、エンジン１、および、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）１００を含むエンジン制御システム３００の模式的な構成図である。エンジン制御システム３００は、圧力検出信号処理装置２００によって信号処理が施された圧力検出信号を利用してエンジン制御を行う。圧力検出信号は、圧力センサ３０からの出力信号である。なお、図１では、理解の容易化のため、点火プラグを図示省略している。

エンジン１は、シリンダ２と、シリンダ２の内部で上下方向に摺動可能に嵌合されたピストン３とを有する。ピストン３には、コンロッド４の一端側が接続されているとともに、コンロッド４の他端側は、クランクシャフト５に連結されている。クランクシャフト５の不図示の変速機側の端部には、フライホイール７が回転可能に連結されている。フライホイール７の外周の所定の角度領域には、磁性体でなる突起であるリラクタ２０が形成されている。

クランクシャフト５に対向して配置される電磁ピックアップ２２は、リラクタ２０が近づく時には、正電圧のパルスを出力するとともに、リラクタ２０が遠ざかる時には、負電圧のパルスを出力する。公知のパルス整形回路により、正・負両極のパルス信号に基づいて、１個の矩形パルスが出力されるようにパルスを整形すると、フライホイール７が１回転する毎に１つの矩形パルスが出力される。

よって、「吸気→圧縮→燃焼→排気」の１サイクルにおいて、クランクシャフト５が７２０°回転するので、電磁ピックアップ２２から１サイクルで２パルスの矩形信号（エンジン回転信号）が出力される。かくして、電磁ピックアップ２２は、クランクシャフト５の回転角度を検出するクランク角センサとなる。

この結果、電磁ピックアップ２２からのエンジン回転信号に基づいて、エンジン１の回転数を求めることができる。また、フライホイール７の外周上におけるリラクタ２０の形成位置を適宜の角度領域とし、電磁ピックアップ２２からのエンジン回転信号に基づいて、点火プラグに点火制御信号を与えて燃料点火するタイミングを、所望のタイミングとすることができる。所望のタイミングとは、上死点（TDC）、上死点より進角（BTDC）側、または、遅角(ATDC)側に対応したタイミングである。

また、シリンダ２の上部のシリンダヘッドには、吸気管８と排気管９とが接続されている。吸気管８の内部は、外部から燃焼室１５内に新気を取り込むための吸気通路となっている。また、吸気通路には、上流側から、新気の塵等を除去するためのエアクリーナ６、新気の吸入量を調整するためのスロットル弁２４、燃料噴射を行うためのインジェクタ４０などが配置されている。そして、新気を燃焼室１５内へ取り込むタイミングは、不図示のスプリングで閉弁方向に付勢される吸気弁１２の開弁・閉弁動作により制御される。

そして、圧力センサ３０は、燃焼室１５の圧力である燃焼圧を検出して、検出した燃焼圧を示す圧力検出信号を出力する。圧力センサ３０は、その先端が燃焼室内を臨む姿勢でシリンダヘッドの頂部に配置されている。なお、圧力センサ３０の搭載位置は、図１に示す位置には限られない。同様に、不図示の点火プラグも、その先端が燃焼室内を臨む姿勢でシリンダヘッドの適宜の位置に配置されている。点火プラグの内部に圧力センサ３０を一体に設ける構造とすることもできるし、圧力センサ３０と点火プラグとを別体にすることもできる。

一方、排気管９の内部は、燃焼室１５からの排気を排出するための排気通路となっている。そして、排気の燃焼室１５内からの排出タイミングは、不図示のスプリングで閉弁方向に付勢される排気弁１０の開弁・閉弁動作により制御される。

エンジン１の動作を制御するＥＣＵ１００には、電磁ピックアップ２２、および、圧力センサ３０などからの信号が入力される。電磁ピックアップ２２からは、エンジン回転に応じた矩形パルス信号が入力される。圧力センサ３０からは、圧力検出信号が入力される。一方、ＥＣＵ１００は、インジェクタ４０の燃料噴射を制御すると共に、点火プラグの点火を制御する。

そして、圧力センサ３０からの圧力検出信号は、圧力検出信号処理装置２００によって信号処理が施される。ＥＣＵ１００は、エンジン回転信号、および、圧力検出信号処理装置２００によって信号処理が施された圧力検出信号に基づいて、インジェクタ４０による燃料噴射制御（噴射量、噴射時期）と、点火プラグによる点火時期制御とを行う。

シリンダ２内でのピストン３の上下方向の往復運動が、クランクシャフト５の回転運動に変換される。クランクシャフト５の回転運動は、変速機を介して駆動輪に伝達され、「吸気→圧縮→燃焼→排気」の行程を繰り返すことにより、車両（二輪、四輪）が前進する。

なお、図１は、エンジン１、および、これを制御するＥＣＵ１００の構成例であり、例えば、ＥＣＵ１００は、エンジン回転信号、および、圧力検出信号の他に、エンジン１の吸気温度、冷却水温度、排気中の酸素濃度、スロットル開度などを参照して、エンジン１の制御を行うようにすることもできる。

（ＥＣＵ１００の機能構成）
図２は、ＥＣＵ１００の機能を示す機能構成図である。ＥＣＵ１００は、記憶部１３０と、エンジン制御部１５０と、圧力検出信号処理装置２００とを含む。記憶部１３０は、プログラム１３２、不揮発性記憶エリア１３６、および、ワークエリア１３８を有する。ワークエリア１３８は、演算過程で各種パラメータを一時的に記憶するための一時記憶領域であり、不揮発性記憶エリア１３６は、演算で利用される各種パラメータを不揮発的に記憶するための記憶領域である。

エンジン制御部１５０は、圧力検出信号処理装置２００から出力される圧力検出信号などに基づいて燃料噴射量を求め、求めた燃料噴射量に応じた燃料噴射信号を、電磁ピックアップ２２からのエンジン回転信号に基づいたタイミングでインジェクタ４０を制御する。これにより、インジェクタ４０は、エンジン制御部１５０からの制御に応じた燃料噴射量で燃料を噴射する。

エンジン制御部１５０は、電磁ピックアップ２２からのエンジン回転信号に基づいて点火時期を判断し、点火プラグを制御する。また、エンジン制御部１５０は、電磁ピックアップ２２からのエンジン回転信号に加えて、圧力検出信号処理装置２００からの圧力検出信号にも基づいて、点火時期を制御することもできる。

図２に示したＥＣＵ１００の機能構成は一例に過ぎない。ＥＣＵ１００は、これ以外の機能構成を取り得る。圧力検出信号処理装置２００から出力される信号処理後の圧力検出信号を利用して、燃料噴射制御、点火時期制御のみならず、ノッキング検知、失火検知、燃焼速度演算など各種パラメータの検出、制御等が、実行可能である。

（第１実施形態の圧力検出信号処理装置２００）
（構成）
図３は、本発明の第１実施形態の圧力検出信号処理装置２００の構成図である。圧力検出信号処理装置２００は、ＩＶ変換部２１０と、デジタル信号処理部２２０とを有する。また、デジタル信号処理部２２０は、ＡＤ変換部２０５と、微分処理部２２２と、積分処理部２２４と、積分処理部２２６とを有する。

図４は圧力センサ３０の模式的な構成図である。圧力センサ３０の筒状のハウジング３１には、圧力信号Ｐを受けるダイアフラム３２、１対の電極３６、３７に挟まれた圧電素子３５などが内蔵される。一方の電極３６は、接地されたリード線が接続されるとともに、他方の電極３７は、当該圧力センサ３０の圧力検出信号Ｐｓを次段に伝送するためのリード線が接続されている。圧電素子３５は、受圧強度に応じた電荷を生起して出力する。圧電素子３５は、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）等の誘電体材料である。

ダイアフラム３２が、受圧強度に応じて圧電素子３５に圧力を与えると、圧電素子３５は、与えられた圧力に対応する電荷を生起し、次段のＩＶ変換部２１０に出力される。かくして、圧力Ｐに対応する電流が圧力検出信号ＰｓとなってＩＶ変換部２１０に伝えられる。

図５は、ＩＶ変換部２１０の構成図である。ＩＶ変換部２１０は、その非反転端子が接地されるとともに、その反転端子とその出力端子とが抵抗値Ｒ１の抵抗２１３で接続されたオペアンプ２１２で成る。つまり、抵抗２１３でオペアンプ２１２が負帰還接続されて、オペアンプ２１２は仮想接地されている。

オペアンプ２１２の入力インピーダンスは、理想的には無限大のため、オペアンプ２１２に入力される電流は、抵抗２１３を流れる。かくして、ＩＶ変換部２１０は、圧電素子３５からの電荷に応じて生じる電流を電圧に変換（ＩＶ変換）する。具体的には電圧の絶対値「Ｖ_a」は、「Ｖa＝Ｉ・Ｒ１」となる。

また、図３に示すＡＤ変換部２０５は、ＩＶ変換部２１０から出力されるアナログの電圧信号をデジタル信号に変換する。微分処理部２２２は、ＡＤ変換部２０５によりアナログデジタル変換されたデジタル信号に対して、微分処理を施す。微分処理部２２２が行う微分処理は、当該微分処理部２２２に入力された信号の傾きを、順次、求めていくことに対応する。

ＡＤ変換部２０５によるデジタル信号のサンプリング周期を「Ｔ」として、時間経過「Ｔ、２・Ｔ、３・Ｔ、…、（ｎ−１）・Ｔ、ｎ・Ｔ」における信号を「ｙ（１）、ｙ（２）、ｙ（３）、…、ｙ（ｎ−１）、ｙ（ｎ）」とすると、微分処理は、「ｙ（２）−ｙ（１）、ｙ（３）−ｙ（２）、…、ｙ（ｎ）−ｙ（ｎ−１）」を求めていくことにより実現される。即ち、微分処理部２２２が施す微分処理は、デジタル信号の差分を、順次、求めてくことに対応する。

積分処理部２２４は、微分処理部２２２により微分処理が施された信号に対して、積分処理を施す。積分処理部２２４が行う積分処理は、サンプリング周期となる時間幅において、積分処理部２２４に入力された信号と、０Ｖラインとが呈する部分の面積を順次求めて加算していくものである。同様に、積分処理部２２６も、積分処理部２２４により積分処理が施された信号に対して、さらに積分処理を施す。積分処理部２２６が行う積分処理は、サンプリング周期となる時間幅において、積分処理部２２６に入力された信号と、０Ｖラインとが呈する部分の面積を、順次求めて加算していくものである。

サンプリング周期を「Ｔ」として、時間経過「Ｔ、２・Ｔ、３・Ｔ、…、（ｎ−１）・Ｔ、ｎ・Ｔ」における信号を「ｙ（１）、ｙ（２）、ｙ（３）、…、ｙ（ｎ−１）、ｙ（ｎ）」とすると、積分処理は、「ｙ（１）・Ｔ、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ＋ｙ（３）・Ｔ、…、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ＋ｙ（３）・Ｔ＋…＋ｙ（ｎ）・Ｔ」を求めていくことによって実現される。即ち、積分処理部２２４、積分処理部２２６が施す積分処理は、デジタル信号の総和を、順次、求めてくことに対応する。

かくして、デジタル信号処理部２２０は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のＰＬＤ（Programmable Logic Device）により実現可能である。また、ＥＣＵ１００が有するＣＰＵ（図示せず）は、記憶部１３０に記録されたプログラム１３２を実行することによって、微分処理部２２２、積分処理部２２４、積分処理部２２６として機能することも可能である。

（第１実施形態の動作）
図７（ａ）は、従来例であるチャージアンプの出力信号、図７（ｂ）は、ＩＶ変換部２１０の出力信号である。図７（ａ）に示すように、チャージアンプの出力信号には、ドリフト成分が含まれる。ドリフトとは、時間経過に従って、出力信号が徐々にずれていくことである。ドリフトの影響によって、従来例であるチャージアンプの出力信号は、時間経過に従って、そのベースラインが徐々にずれる。なお、圧電素子３５の熱変動、予圧、焦電機能等の影響に起因して漏れ電流が発生し、この漏れ電流がドリフトとなって現れる。

一方、図７（ｂ）に示すように、ＩＶ変換部２１０の出力信号は、ベースラインを中心とした交流的変動となる。図７（ｂ）の例では、出力信号のベースラインの電圧は、ＩＶ変換部２１０の基準電圧に対して、ドリフト成分の電圧が加算された電圧となっている。なお、ここでは、出力信号が０Ｖで飽和することを避けるために、ＩＶ変換部２１０の基準電圧が２．５（Ｖ）とされている例について示している。

次に、図８を参照して、デジタル信号処理部２２０の動作について説明する。まず、図８（ａ）に示す信号は、図７（ｂ）と同様に、ＩＶ変換部２１０の出力信号である（図３の符号「ａ」の位置での信号）。

次いで、図８（ａ）で示す信号に対して、微分処理部２２２が微分処理を施すと、図８（ｂ）に示す信号となる（図３の符号「ｂ」の位置での信号）。微分処理部２２２による微分により、ドリフト成分を含む０（Ｖ）からのオフセットを除去できることになる。つまり、圧力検出信号に対して微分処理を施すことによって、当該圧力検出信号のうちの傾きが無い部分が０（Ｖ）にシフトするため、ベースラインを０（Ｖ）にシフトした圧力検出信号を得ることができる。

次いで、図８（ｃ）に示す信号のように、積分処理部２２４が、微分処理部２２２により微分処理が施された信号に対して積分処理を施すことにより、図８（ａ）に示すような、微分処理部２２２への入力前の圧力検出信号の交流変動分を求めることができる（図３の符号「ｃ」の位置での信号）。

そして、図８（ｄ）に示すように、積分処理部２２６が、積分処理部２２４により積分処理が施された信号に対して、さらに積分処理を施すことによって、ＥＣＵ１００等での後処理が可能な信号とすることができる（図３の符号（ｄ）の位置での信号）。つまり、ベースラインを中心に変動する積分信号に対して、さらに積分処理を施すことにより、信号振幅を増幅させた正信号としている。

なお、積分処理部２２６による積分処理は必ずしも必要ではなく、積分処理部２２６を設けずに、微分処理部２２２からの微分信号に対して一回積分する積分処理部２２４を設けてもよい。しかしながら、エンジン制御部１５０での圧力検出信号の処理精度を向上するためには、積分処理部２２６を設けるのが好ましい。このように積分値を得ることで、波高値のみに左右されず、実質的な圧力に基づいた処理が可能となる。ここで、実質的な圧力に基づいた処理とは、例えば、一時的に波高値が高いが実質的に圧力の低いものを圧力が高いと誤認識することなどを防止することなどである。

以上説明してきた第１実施形態の圧力検出信号処理装置２００にあっては、ＩＶ変換部２１０が、受圧に応じて圧電素子３５により生起された電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換する。次いで、デジタル信号処理部２２０が、ＩＶ変換後の電圧信号に対して、圧電素子３５の漏れ電流に起因するドリフトを除去する補正を施す。

特に、微分処理部２２２が、ＩＶ変換後の電圧信号に対して微分処理を施し、また、積分処理部２２４が、微分処理を施した信号に対して積分処理を施すことによって、漏れ電流に起因するドリフトを除去すると共に、ベースラインを一定に維持した高精度の圧力検出信号を得ることが可能になる。

また、積分処理部２２６による積分処理を施すことによって、ＥＣＵ１００等での高精度の処理が可能となるので、圧力検出信号処理装置２００からの出力信号に基づいて、エンジンの制御を高精度で行うことが可能となる。

以上説明してきたように、第１実施形態の圧力検出信号処理装置２００によれば、簡易な構成で、圧電素子のドリフトを除去した精度良い圧力検出信号を得ることができる。

（第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１）
（構成）
図９は、第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１の構成図である。圧力検出信号処理装置２０１は、ＩＶ変換部２１０と、ローパスフィルタ２５０（抽出部）と、デジタル信号処理部２４０とを有する。デジタル信号処理部２４０は、ＡＤ変換部２４１と、減算処理部２４２と、積分処理部２４４とを有する。

ＩＶ変換部２１０は、受圧強度に応じて圧電素子３５から出力された電荷に応じて生じる電流を電圧に変換する。具体的な構成は、先に図５を参照して説明したものと同一である。

ローパスフィルタ２５０は、ＩＶ変換部２１０からの出力信号の低周波数成分を抽出してデジタル信号処理部２４０に対して出力する。図６は、ローパスフィルタ２５０の構成例を示す。ローパスフィルタ２５０は、抵抗値Ｒの抵抗２５１と、容量Ｃのコンデンサ２５２と、を直列に接続した回路におけるコンデンサ２５２の両端から出力を取り出すように構成された一種の積分回路である。

ローパスフィルタ２５０の入力、出力をそれぞれ「Ｖin」、「Ｖout」とすれば「Ｖout／Ｖin＝１／（１＋ｓＲＣ）、ｓ＝ｊω（ｊは虚数単位）」となるので、「カットオフ周波数（ｆｃ）」は、「ｆｃ＝１／（２πＲＣ）」となる。したがって、Ｒ、Ｃの素子値を調整することにより、カットオフ周波数を調整できることになる。

ＡＤ変換部２４１は、ＩＶ変換部２１０の出力信号と、当該出力信号に対してローパスフィルタ２５０で低周波成分を抽出した抽出信号とを入力して、それぞれのアナログ信号をデジタル信号に変換する。また、減算処理部２４２は、両者のデジタル信号に対して減算処理を施す。具体的には、減算処理部２４２は、ＩＶ変換部２１０の出力デジタル信号から、ローパスフィルタ２５０の出力デジタル信号を減じ、減算結果に相当する減算信号を出力する。

積分処理部２４４は、減算部処理部２４２が出力する減算信号に対して積分処理を施す。積分処理部２４４が行う積分処理は、サンプリング周期となる時間幅において、積分処理部２４４に入力された信号と、０Ｖラインとが呈する部分の面積を順次求めて加算していくものである。

ＡＤ変換部２４１によるサンプリング周期を「Ｔ」として、時間経過「Ｔ、２・Ｔ、３・Ｔ、…、（ｎ−１）・Ｔ、ｎ・Ｔ」における信号を「ｙ（１）、ｙ（２）、ｙ（３）、…、ｙ（ｎ−１）、ｙ（ｎ）」とすると、積分処理は、「ｙ（１）・Ｔ、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ＋ｙ（３）・Ｔ、…、ｙ（１）・Ｔ＋ｙ（２）・Ｔ＋ｙ（３）・Ｔ＋…＋ｙ（ｎ）・Ｔ」を求めていくことにより実現される。即ち、積分処理部２４４が施す積分処理は、デジタル信号の総和を、順次、求めてくことに対応する。

かくして、デジタル信号処理部２４０は、第１実施形態と同様に、ＦＰＧＡなどのＰＬＤで実現可能である。また、ＥＣＵ１００が有するＣＰＵ（図示せず）が、記憶部１３０に記録されたプログラム１３２を実行することによって、減算処理部２４２、積分処理部２４４として機能することも可能である。

また、図９に示す構成例にあっては、アナログ型のローパスフィルタ２５０を採用しているが、ローパスフィルタ２５０としてデジタルローパスフィルタを採用することも可能である。デジタルローパスフィルタは、例えば、移動平均フィルタで構成できる。移動平均フィルタは、サンプリング周期を「Ｔ」として、時間経過「Ｔ、２・Ｔ、３・Ｔ、…、（ｎ−１）・Ｔ、ｎ・Ｔ」における信号を「ｙ（１）、ｙ（２）、ｙ（３）、…、ｙ（ｎ−２）、ｙ（ｎ−１）、ｙ（ｎ）」とすると、「（ｙ（１）＋ｙ（２）＋ｙ（３））／３、…、（ｙ（ｎ−２）＋ｙ（ｎ−１）＋ｙ（ｎ））／３）」を求めていくことにより実現する。

つまり、移動平均フィルタは、注目するデジタル信号を含む前後ｎ個（ｎは３以上の整数）のデジタル信号における平均値を、順次、求めるものである。ｎの値を大きな値とすると、カットオフ周波数を下げることができる。例えば、移動平均フィルタのｎの値を、エンジン回転数に応じて線形的に変化させることによって、波高値に関わらず安定した信号処理を実現することが可能となる。

より具体的には、一例として、エンジン回転数とｎとが、比例するように設定することができる。また、ローパスフィルタ２５０を移動平均フィルタで構成した場合、デジタル信号処理部２４０内にローパスフィルタ２５０を設けることもできる。また、エンジン回転数は、圧力検出信号処理装置２００が信号処理を施した圧力検出信号が示す燃焼圧から求める構成とすることができる。また、エンジン回転数は、エンジン制御部１５０が取得したエンジン回転信号を圧力検出信号処理装置２００に入力することで、エンジン制御部１５０から取得する構成としても良い。

（第２実施形態の動作）
次に、図１０を参照して、第２実施形態のデジタル信号処理部２４０の動作について説明する。図１０（ａ）は、ＩＶ変換部２１０の出力信号である（図９の符号「ａ」の位置での信号）。つまり、図１０（ａ）に示す信号は、図８（ａ）に示す信号に対応する。

次いで、図１０（ａ）に示す信号に対して、ローパスフィルタ２５０により、低周波数帯域での信号抽出を行うと、図１０（ｂ）に示す信号となる（図９の符号「ｂ」の位置での信号）。ローパスフィルタ２５０は、ＩＶ変換部２１０の出力信号において、ドリフト成分を抽出する。より具体的には、ローパスフィルタ２５０は、出力信号において、比較的緩やかに変化する信号成分を、ドリフト成分を含む０Ｖからのオフセット成分として抽出する。

次いで、減算処理部２４２が、ＩＶ変換部２１０の出力信号から、ローパスフィルタ２５０により抽出された抽出信号を減じると、図１０（ｃ）に示す信号となる（図９の符号「ｃ」の位置での信号）。これによって、ＩＶ変換部２１０の出力信号に混在した、ドリフト成分を含む０Ｖからのオフセット成分を除去（ドリフトキャンセル）できる。この結果、図１０（ｃ）に示す信号は、図８（ｃ）に示す信号に対応する。

そして、図１０（ｄ）に示すように、積分処理部２４４が、減算処理部２４２が出力した減算信号対して積分処理を施すことにより、ＥＣＵ１００等で後処理可能な信号とすることができる（図９の符号（ｄ）の位置での信号）。つまり、ベースラインを中心に変動する信号に対して積分処理を施すことにより、信号振幅を増幅させた正信号としている。この結果、図１０（ｄ）に示す信号は、図８（ｄ）に示す信号に対応する。

以上説明してきた、第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１にあっては、ＩＶ変換部２１０が、受圧に応じて圧電素子３５により生起された電荷に対応する電流信号を電圧信号へＩＶ変換し、また、ローパスフィルタ２５０が、ＩＶ変換された電圧信号の低周波数帯域の成分として、ドリフト成分を含むオフセット成分を抽出する。そして、図９に示すデジタル信号処理部２４０が、ＩＶ変換された電圧信号と、抽出されたドリフト成分を含む抽出信号とに基づいて、圧電素子３５の漏れ電流に起因するドリフトを除去する補正処理をデジタル信号処理で施す。

特に、減算処理部２４２は、電圧信号と抽出信号との減算結果を示す減算信号を求め、積分処理部２４４が、減算信号に対して積分処理を施すので、ドリフトが除去されると共に、ベースラインが一定に維持された高精度の圧力検出信号を得ることが可能になる。したがって、第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１にあっても、ＥＣＵ１００等での高精度の処理が可能となるので、信号処理後の圧力検出信号に基づいて、エンジンの制御を高精度で行うことが可能となる。

また、エンジン燃焼において「失火」が発生した場合、失火後の燃焼圧が高いことから、例えば、図３の微分処理部２２２の出力信号を失火検出に利用すること等も可能である。例えば、失火検出に応じて、燃料噴射タイミングを制御すること等によって失火抑制制御を行うことなどが可能である。

以上説明してきたように、第２実施形態の圧力検出信号処理装置２０１によっても、簡易な構成で圧電素子のドリフトを除去した精度良い圧力検出信号を得ることができる。

さらに、以上の説明においては、特に、エンジン１の燃焼室内の圧力を示す圧力検出信号に対する信号処理例を示したが、本発明は、気体のみならず、流体等の他の受圧媒体の圧力検出信号に対しても、適用可能である。また、図１に示すエンジン制御システム３００にあっては、ＥＣＵ１００内に圧力検出信号処理装置２００を設けた構成としたが、ＥＣＵ１００と、圧力検出信号処理装置２００と、を別体にして設け、信号処理後の圧力検出信号をＥＣＵ１００に入力させるシステム構成としても良い。

また、ＣＰＵ、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）等のプロセッサが、プログラムを実行すると、信号処理機能と、微分処理機能、第１積分機能、第２積分機能、減算機能、積分機能などがコンピュータに実現される。また、本発明は、プログラムを記録した非一時的な記録媒体も提供可能である。プログラムを記録する非一時的な記録媒体としては、ＲＯＭ等の半導体素子、ＣＤ、ＤＶＤ等の光学素子、磁気ディスク等の磁性素子が挙げられる。記録媒体としては、これに記憶しておいたプログラムを読み取り手段により読み取ることにより、コンピュータ上で実行可能となれば良く、その種類等は問われない。

１ エンジン
１５ 燃焼室
３０ 圧力センサ
３２ ダイアフラム
３５ 圧電素子
３６、３７ 電極
１００ ＥＣＵ
２００ 圧力検出信号処理装置
２０１ 圧力検出信号処理装置
２１０ ＩＶ変換部
２１２ オペアンプ
２１３ 抵抗
２２０ デジタル信号処理部
２２２ 微分処理部
２２４ 積分処理部
２２６ 積分処理部
２４０ デジタル信号処理部
２４１ ＡＤ変換部
２４２ 減算処理部
２４４ 積分処理部
２５０ ローパスフィルタ
２５１ 抵抗
２５２ コンデンサ
３００ エンジン制御システム

Claims (13)

1. 受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す装置であって、
   前記電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換するＩＶ変換部と、
   前記電圧信号に対して、前記圧電素子のドリフトを除去する補正をデジタル信号処理で施すデジタル信号処理部と、を備えた圧力検出信号処理装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、
   前記デジタル信号処理部は、
   前記電圧信号に対して微分処理を施す微分処理部と、
   前記微分処理を施した信号に対して積分処理を施す第１積分処理部と、
   前記積分処理を施した信号に対して積分処理を施す第２積分処理部と、を含むことを特徴とする圧力検出信号処理装置。
3. 受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す装置であって、
   前記電荷に対応する電流信号を電圧信号へ変換するＩＶ変換部と、
   前記電圧信号の特定の周波数帯の成分を抽出する抽出部と、
   前記電圧信号と前記抽出された信号である抽出信号とに基づいて、前記圧電素子のドリフトを除去する補正処理をデジタル信号処理で施すデジタル信号処理部と、を備えた圧力検出信号処理装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、
   前記デジタル信号処理部は、
   前記電圧信号と前記抽出信号との減算結果を示す減算信号を求める減算処理部と、
   前記減算信号に対して積分処理を施す積分処理部と、を含むことを特徴とする圧力検出信号処理装置。
5. 請求項３および４の内のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記抽出部は、
   所定の低周波数帯域の成分を抽出するローパスフィルタであることを特徴とする圧力検出信号処理装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、
   前記ローパスフィルタは、
   抵抗とコンデンサとを直列接続し、当該コンデンサの両端電圧を前記抽出信号として出力する構成であることを特徴とする圧力検出信号処理装置。
7. 請求項１乃至６の内のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記ＩＶ変換部は、
   抵抗で負帰還接続したオペアンプを含むことを特徴とする圧力検出信号処理装置。
8. 請求項１乃至７の内のいずれか一項に記載の圧力検出信号処理装置と、
   前記圧力検出信号処理装置からの出力信号に基づいて、エンジンの制御を行う制御部と、を備えたエンジン制御システム。
9. 請求項５、６、および７の内のいずれか一項に記載の装置であって、
   前記デジタル信号処理部は、
   前記ローパスフィルタのカットオフ周波数をエンジンの回転数に応じて変更することを特徴とする圧力検出信号処理装置。
10. 受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す圧力検出信号装置に、
    前記電荷に対応する電流信号からＩＶ変換部で変換された電圧信号に対して、前記圧電素子のドリフトを除去する補正処理を施す信号処理機能を実現するためのプログラム。
11. 請求項１０に記載のプログラムであって、
    前記信号処理機能は、
    前記電圧信号に対して微分処理を施す微分処理機能と、
    前記微分処理を施した信号に対して積分処理を施す第１積分機能と、
    前記積分処理を施した信号に対して積分処理を施す第２積分機能と、を含むことを特徴とするプログラム。
12. 受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含んで成る圧力センサの出力信号に対して、信号処理を施す圧力検出信号装置に、
    前記電荷に対応する電流信号からＩＶ変換部で変換された電圧信号と、当該電圧信号の特定の周波数成分を抽出した抽出信号とに基づいて、
    前記圧電素子のドリフトを除去する補正処理を施す信号処理機能を実現するためのプログラム。
13. 請求項１２に記載のプログラムであって、
    前記信号処理機能は、
    前記電圧信号と前記抽出信号との減算結果を示す減算信号を求める減算処理機能と、
    前記減算信号に対して積分処理を施す積分機能と、を含むことを特徴とするプログラム。

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