JP2023014575A - センサ用増幅回路及びエンジン制御システム - Google Patents

Abstract

【課題】増幅回路にゲイン変動が発生してもその影響を軽減できるセンサ用増幅回路、及びこの増幅回路からの検出信号に基づき制御を実行するエンジン制御システムを提供する。【解決手段】検出対象１からの受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含むセンサ３０と、オペアンプ４１２の入出力端子の間にコンデンサ４１１を負帰還接続してなり、圧電素子３５からオペアンプ４１２に入力される電荷を増幅して出力する信号増幅部４１０と、圧電素子３５からの電荷に代えて、所定の波形パターンの検査信号Ｉtestをオペアンプ４１２に入力する検査信号生成部４２０と、検査信号Ｉtestの入力時のオペアンプ４１２の出力Ｖoutと目標出力Ｖtgtとに基づき、信号増幅部４１０に生じた増幅率の誤差を補償する補正指標を設定する補正指標設定部４３０と、補正指標に基づき信号増幅部４１０の増幅率を補正する増幅率補正部４４０とを備えた。【選択図】図４

Description

本発明は、センサ用増幅回路及びエンジン制御システムに関する。

この種のセンサ用増幅回路は、各種センサから出力される微小な信号をコントローラ等で演算処理できるように増幅する役割を果たしており、例えば特許文献１に記載された圧力センサ用の増幅回路を挙げることができる。圧力センサは、検出対象であるエンジンの筒内の燃焼圧を検出するセンサであり、燃焼圧を圧電素子に受圧させることで電荷を生起させて圧力検出信号として増幅回路に出力する。増幅回路は、オペアンプにコンデンサを負帰還接続してなり、例えば、圧力センサから反転入力端子に入力される圧力検出信号を増幅して出力する。圧力検出信号はエンジンの燃焼サイクルに同期して変動し、筒内の燃焼状態を反映した波形を形成する。圧力検出信号はエンジン制御装置に入力され、良好な筒内の燃焼状態を保つように圧力検出信号に基づきエンジンの燃料噴射制御や点火時期制御が実行される。

特開２０２０－８４８０４号公報

ところで、センサ用増幅回路には故障が発生する場合があり、故障の１つとして、オペアンプに入力される検出信号を増幅する際の増幅率に相当するゲインが経年劣化により変動する故障（以下、ゲイン変動と称する）がある。ゲイン変動は増幅回路の種々の部位の劣化により発生し、その一例として、オペアンプに負帰還接続されているコンデンサの経年劣化を挙げることができる。例えば、圧力センサ用の増幅回路に広く用いられている積層セラミックコンデンサの場合には、経年劣化により静電容量が次第に低下し、それに伴って増幅の際のゲインが次第に増加することから、圧力検出信号は筒内の燃焼状態を反映した本来の値から増加側に変化する。

結果として、例えば上記した圧力センサの場合には、誤差を含んだ圧力検出信号に基づきエンジンが不適切に制御されて筒内の燃焼状態が悪化し、排ガス特性、燃費、ドライバビリティ等を悪化させてしまう。コンデンサの種類や増幅回路の劣化部位に応じてゲインの増減方向は異なるものの、何れにしても検出信号に誤差が発生すると、検出対象の状態を適切に検出できなくなってしまう。ゲイン変動の対処としては、その要因となる部位、例えばコンデンサ或いは増幅回路全体等を交換することが考えられるが、交換作業やコスト等の別の問題が発生してしまう。

本発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、その目的とするところは、増幅回路にゲイン変動が発生した場合であってもその影響を軽減でき、これにより、交換作業を要することなく長期に亘って正確な検出信号を出力することができるセンサ用増幅回路、及びこのセンサ用増幅回路からの検出信号に基づき制御を実行するエンジン制御システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明のセンサ用増幅回路は、検出対象からの受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含むセンサを対象としたセンサ用増幅回路であって、演算増幅器と演算増幅器の入力端子と出力端子との間に負帰還接続されたコンデンサとを含み、センサの圧電素子から演算増幅器に入力される電荷を所定の増幅率で増幅して検出信号として出力する信号増幅部と、センサの圧電素子からの電荷に代えて、予め設定された波形パターンの検査信号を生成して信号増幅部の演算増幅器に入力する検査信号生成部と、検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と予め設定された目標出力とに基づき、信号増幅部に生じた増幅率の誤差を補償するための補正指標を設定する補正指標設定部と、補正指標設定部により設定された補正指標に基づき、信号増幅部の増幅率を補正する増幅率補正部と、を備えたことを特徴とする。

その他の態様として、増幅率補正部を、信号増幅部から出力される検出信号を補正可能な信号補正部とし、補正指標設定部を、検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と目標出力とに基づき、信号増幅部から出力される検出信号に対する補正量を補正指標として設定し、設定した補正量に基づき信号補正部に検出信号を補正させる補正量算出部として構成してもよい。

その他の態様として、増幅率補正部を、コンデンサとして信号増幅部に設けられた静電容量が異なる複数のコンデンサ、及び複数のコンデンサを演算増幅器の入力端子と出力端子との間に選択的に負帰還接続させるスイッチング部からなるコンデンサ切換部とし、補正指標設定部を、検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と目標出力とに基づき、コンデンサ切換部の複数のコンデンサの中から演算増幅器に負帰還接続させるべきコンデンサを補正指標として設定し、設定したコンデンサをコンデンサ切換部のスイッチング部に負帰還接続させるコンデンサ選択部として構成してもよい。

その他の態様として、検出対象が、エンジンであり、センサが、エンジンの筒内の燃焼圧を圧電素子に受圧させる圧力センサであり、検査信号生成部が、エンジンの停止中に、演算増幅器に検査信号を入力し、補正量算出部が、エンジンの停止中に、検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と目標出力とに基づき補正量を設定し、信号補正部が、エンジンの運転中に、補正量算出部により設定された補正量に基づき信号増幅部から出力される検出信号を補正するように構成してもよい。

その他の態様として、検出対象が、エンジンであり、センサが、エンジンの筒内の燃焼圧を圧電素子に受圧させる圧力センサであり、検査信号生成部が、エンジンの停止中に、演算増幅器に検査信号を入力し、コンデンサ選択部が、エンジンの停止中に、検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と目標出力とに基づき演算増幅器に負帰還接続させるべきコンデンサを設定し、コンデンサ切換部が、エンジンの停止中に、コンデンサ選択部により設定されたコンデンサをスイッチング部に負帰還接続させるように構成してもよい。

その他の態様として、検査信号生成部が、波形パターンの検査信号を１サイクルとして、予め設定された複数のサイクル分を繰り返し演算増幅器に入力し、補正指標設定部が、複数のサイクルにおける検査信号生成部から検査信号が入力された際の演算増幅器の出力と目標出力とに基づき補正指標を設定するように構成してもよい。

その他の態様として、１サイクルが、正側と負側との何れか一方の波形と、何れか一方の波形の入力により変化した演算増幅器の出力を入力前の値に戻すための何れか他方の波形とからなる波形パターンの検査信号であるように構成してもよい。

また、本発明のエンジン制御システムは、請求項１乃至７の何れか１項に記載のセンサ用増幅回路と、センサ用増幅回路の出力に基づきエンジンを制御するエンジン制御部と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、増幅回路にゲイン変動が発生した場合であってもその影響を軽減でき、これにより、交換作業を要することなく長期に亘って正確な検出信号を出力することができるセンサ用増幅回路、及びこのセンサ用増幅回路からの検出信号に基づき制御を実行するエンジン制御システムを提供することができる。

エンジン制御システムの模式的な構成図である。 ＥＣＵの機能構成図である。 圧力センサの構成を示す模式的な説明図である。 第１実施形態の圧力検出信号処理装置を示す構成図である。 第１実施形態の信号増幅部を示す構成図である。 信号増幅部のゲインが正常、過大及び過小の場合において検査信号が入力されたときの出力Ｖoutを示すタイムチャートである。 第１実施形態の検査信号生成部、補正量算出部及び信号補正部が実行するゲイン誤差補償ルーチンを示すフローチャートである。 第２実施形態の圧力検出信号処理装置を示す構成図である。 第２実施形態の信号増幅部を示す構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明をエンジンの筒内の燃焼圧を検出する圧力センサ用増幅回路に具体化した第１実施形態を説明する。こ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及び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等が配置されている。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。

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。従って、本実施形態では、圧力センサ３０が本発明の「センサ」に相当し、圧力センサ３０により燃焼圧を検出されるエンジン１が本発明の「検出対象」に相当する。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及び圧力センサ３０等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、及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、及びこれを制御するＥＣＵ１００の構成例であり、例えば、ＥＣＵ１００は、エンジン回転信号、及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、スロットル開度等を参照して、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、及びワークエリア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等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、燃焼速度演算等の各種パラメータの検出、制御等が、実行可能である。

（圧力センサ３０の構成）
図３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、燃焼圧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等が内蔵される。一方の電極３６は、安定した電位、すなわち接地電位となっている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の圧力検出信号を次段に伝送するためのリード線が接続されている。ここで、接地電位とは、GND電位（０V）や、任意に設定された電位のことを指す。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、次段の圧力検出信号処理装置２００に出力する。かくして、燃焼圧に対応する電流が圧力検出信号として圧力検出信号処理装置２００に伝えられる。

（圧力検出信号処理装置２００の構成）
図４は、圧力検出信号処理装置２００を示す構成図である。圧力検出信号処理装置２００は、増幅回路４００と、信号出力部５００とを有する。
増幅回路４００は信号増幅部４１０を有しており、図５は、信号増幅部４１０を示す構成図である。信号増幅部４１０は、その非反転入力端子が接地電位に接続されるとともに、反転入力端子と出力端子とが静電容量Ｃfのコンデンサ４１１で接続されたオペアンプ４１２で成る。つまり、コンデンサ４１１でオペアンプ４１２が負帰還接続されて、オペアンプ４１２は仮想接地されている。オペアンプ４１２が本発明の「演算増幅器」に相当する。

オペアンプ４１２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４１２に入力される電流は、コンデンサ４１１を流れる。かくして、信号増幅部４１０は、圧電素子３５から反転入力端子に入力される圧力検出信号（電流値Ｉ）を増幅し、その出力Ｖout（Ｖ）は次式(1)により表される。

例えば、特許文献１に記載の圧力センサ用の増幅回路等では、このような信号増幅部４１０により増幅回路４００が構成され、その出力Ｖoutが信号出力部５００に直接入力される。これに対して本実施形態では、信号増幅部４１０の出力Ｖoutを補正する構成が追加されているが、その詳細は後述する。

信号出力部５００は、増幅回路４００から圧力検出信号として出力されるＶoutをアナログ信号からデジタル信号に変換すると共に、圧力検出信号の補正処理等を実行し、処理後の圧力検出信号をエンジン制御部１５０に出力する。この補正処理は、本発明の要旨と直接関係ないため詳細は説明しないが、例えば、圧電素子３５の漏れ電流に起因して圧力検出信号に含まれるドリフト成分を除去する補正処理等が挙げられる。

そして、このようにして圧力センサ３０から出力され、増幅回路４００により増幅され、信号出力部５００により各種補正処理を施された圧力検出信号がエンジン制御部１５０に入力される。圧力検出信号は、エンジン１の燃焼サイクルに同期して変動すると共に、筒内の燃焼状態を反映した波形を形成したものとなる。この圧力検出信号に基づき、エンジン制御部１５０により良好な筒内の燃焼状態を保つようにエンジン１の燃料噴射制御や点火時期制御が実行される。

ところで、［発明が解決しようとする課題］で述べたように、特許文献１に記載の圧力センサ用の増幅回路では、故障の１つとして、増幅率に相当するゲインが経年劣化により変動するゲイン変動があり、誤差を含んだ圧力検出信号に基づきエンジンが不適切に制御されてしまう問題があった。

このような不具合を鑑みて本発明者は、圧力検出信号に代えて検査信号Ｉtestを信号増幅部４１０に入力し、このときの信号増幅部４１０の出力Ｖoutに基づきゲイン変動の発生状態を判定し、信号増幅部４１０に生じたゲインの誤差を補償する対策を見出した。この補正処理は、増幅回路４００に追加された構成により実行され、その詳細を以下に説明する。

（増幅回路４００の構成）
図４に示すように、増幅回路４００は、上記した信号増幅部４１０に加えて検査信号生成部４２０、補正量算出部４３０及び信号補正部４４０を有する。補正量算出部４３０は、本発明の「補正指標設定部」に相当し、信号補正部４４０は、本発明の「増幅率補正部」に相当する。

検査信号生成部４２０は、予め設定された波形パターンの検査信号Ｉtestを生成して信号増幅部４１０に入力可能となっている。

補正量算出部４３０は、検査信号Ｉtestを増幅した信号増幅部４１０の出力Ｖoutに基づき、信号増幅部４１０に生じたゲインの誤差を補償するための補正指標として、信号増幅部４１０の出力Ｖoutに対する補正量を算出する。

信号補正部４４０は、信号増幅部４１０の出力Ｖoutである圧力検出信号を補正可能な補正回路であり、補正量算出部４３０により算出された補正量に基づき圧力検出信号を増幅または減衰してエンジン制御部１５０に出力する。

（信号増幅部４１０のゲイン変動の発生状況）
次いで、信号増幅部４１０のゲイン変動の発生状況について説明する。
本実施形態においてゲインとは、信号増幅部４１０が圧力検出信号を増幅する際の増幅率を意味し、本発明の「所定の増幅率」に相当する。このゲインが変動する故障がゲイン変動であり、信号増幅部４１０を構成するコンデンサ４１１或いは他の部位の経年劣化等により発生する。ゲイン変動は、故障が発生していないときの正常なゲインに対して増加側及び低下側の何れの方向にも発生する。

図６は、信号増幅部４１０のゲインが正常、過大及び過小の場合において検査信号Ｉtestが入力されたときの出力Ｖoutを示すタイムチャートである。
上記のようなゲイン変動の発生状態を判定するために、本実施形態では、図６に示す波形パターンを有する検査信号Ｉtestを検査信号生成部４２０により生成し、信号増幅部４１０、詳しくはオペアンプ４１２の反転入力端子に入力している。波形パターンは負側の矩形波及び正側の矩形波からなり、この負側の矩形波が、本発明の「正側と負側との何れか一方の波形」に相当し、正側の矩形波が、本発明の「何れか他方の波形」に相当する。

そして、まず予め設定された時間ｔ1に亘って負側の矩形波を入力し、次いで時間ｔ2に亘って０Ａに保ち、その後に時間ｔ3に亘って正側の矩形波を入力し、次いで時間ｔ4に亘って０Ａに保つ。

ゲイン変動が発生していない場合、検査信号Ｉtestが入力されたときの信号増幅部４１０の出力Ｖoutは、図６中に実線で示すように変化する。即ち、負側の矩形波が入力されると、コンデンサ４１１に電荷が蓄えられて出力Ｖoutが所定の変化率で増加し、入力が中止されると、コンデンサ４１１に蓄えられた電荷によりその時点の出力Ｖoutに保持される。その後に正側の矩形波が入力されると出力Ｖoutが所定の変化率で低下し、入力が中止されるとその時点の出力Ｖout（＝接地電位）に保持される。時間ｔ2における出力Ｖoutは、ゲインに基づき時間ｔ1に亘って負側の矩形波が増幅された結果を示す値であり、以下、ピーク電圧Ｖpと称する。

信号増幅部４１０の製造直後には、製品間のゲインに関する個体差を解消するためのキャリブレーション作業が実施され、信号増幅部４１０から所定の目標値が出力されるようにゲインが調整されている。従って、ゲイン変動が発生していない場合には、製造直後に調整された所期のゲインがその後の信号増幅部４１０の運用中において保たれ続け、このゲインに基づき検査信号Ｉtestが増幅されて信号増幅部４１０から出力される。結果として、このときの時間ｔ2における出力Ｖout、即ちピーク電圧Ｖpは、ゲイン変動の影響を受けていない正常な値と見なせる。

一方、図６中の破線はゲイン変動が発生して、ゲインに誤差が生じた場合の出力Ｖoutを示している。ゲイン変動無しの所期のゲインに比較してゲインが過大になると、時間ｔ1で出力Ｖoutがより大きな変化率で増加し、その後の時間ｔ2でより大きなピーク電圧Ｖpに保持される。また、所期のゲインに比較してゲインが過小になると、時間ｔ1で出力Ｖoutがより小さな変化率で増加し、その後の時間ｔ2でより小さなピーク電圧Ｖpに保持される。このときのピーク電圧Ｖpは、所期のゲインに基づくピーク電圧Ｖpを基準としてゲインが過大であるほど増加側に乖離し、ゲインが過小であるほど低下側に乖離する。

結果としてピーク電圧Ｖpは、ゲイン変動の発生状態、詳しくはゲイン変動の有無、ゲイン変動有りの場合にはゲインの誤差の発生方向や大きさ等を明確に表す指標と見なせる。そして、所期のゲインに基づくピーク電圧Ｖpを予め目標出力Ｖtgtとして設定し、この目標出力Ｖtgtと現在のピーク電圧Ｖpとに基づき、ゲインの誤差を補償して所期のゲインに対応する出力Ｖoutを実現している。

本実施形態ではゲインの誤差を補償するために、信号増幅部４１０からの圧力検出信号を信号補正部４４０により補正する構成を採用している。このため詳細は後述するが、補正量算出部４３０により目標出力Ｖtgtとピーク電圧Ｖpとの比ｈを補正量として算出し、この補正量ｈに基づき信号補正部４４０により信号増幅部４１０からの圧力検出信号を補正している。本実施形態では、補正量算出部４３０により算出される補正量ｈが、本発明の「信号増幅部に生じたゲインの誤差を補償するための補正指標」に相当する。

以上の波形パターンの検査信号Ｉtestに基づきピーク電圧Ｖpを計測し、目標出力Ｖtgtとの比ｈに基づき圧力検出信号を補正するのであるが、何らかの要因によりピーク電圧Ｖpを誤計測する可能性もある。その対策として本実施形態では、図６に示す波形パターンの検査信号Ｉtestを１サイクルとし、５サイクル分を繰り返し信号増幅部４１０に入力している。

そして、１サイクル分の検査信号Ｉtestを信号増幅部４１０に入力する毎に、ピーク電圧Ｖpを計測して逐次記憶しておき、５サイクル分が終了した時点でピーク電圧Ｖpの平均値を算出する。この平均値と目標出力Ｖtgtとの比ｈを補正量として圧力検出信号の補正に適用することにより、補正処理の信頼性ひいては補正後の圧力検出信号の信頼性の向上を図っている。

正側の矩形波の主たる役割は、この連続した５サイクル分のピーク電圧Ｖpの計測を可能とすることにある。即ち、信号増幅部４１０の出力Ｖoutは負側の矩形波の入力に応じて増加し（時間ｔ1）、コンデンサ４１１に蓄えられた電荷により負側の矩形波の入力を中止しても低下しないため（時間ｔ2）、このままでは後続のサイクルのピーク電圧Ｖpを計測できない。負側の矩形波に続いて正側の矩形波が入力されると、出力Ｖoutは負側の矩形波の入力前の値である接地電位に戻されるため（時間ｔ4）、後続のサイクルにおいてもゲインに対応するピーク電圧Ｖpの計測が可能となるのである。

一方、エンジン１の運転中には、圧力センサ３０からの圧力検出信号を信号増幅部４１０が増幅しているため、これと並行して信号増幅部４１０で検査信号Ｉtestを増幅することはできず、出力Ｖoutからピーク電圧Ｖpを計測することもできない。一方で、補正量ｈに基づく補正処理は、エンジン１の筒内の燃焼状態に応じて変化する信号増幅部４１０からの圧力検出信号を対象として、エンジン１の運転中に逐次実行されるべきものである。そこでエンジン１の停止中に、検査信号Ｉtestの入力、ピーク電圧Ｖpの計測、及び補正量ｈの算出までの各処理を実行し、その後のエンジン１の運転中に、算出した補正量ｈに基づき圧力検出信号を補正してエンジン制御に適用している。

本実施形態ではエンジン１の停止中として、車両を走行させるべく運転者がエンジン１を始動する直前のタイミングが設定されている。従って、運転者によりイグニションキーが操作されると、エンジン始動に先行して上記検査信号Ｉtestの入力から補正量ｈの算出までの各処理を実行する。エンジン停止中には圧力センサ３０から圧力検出信号が信号増幅部４１０に入力されていないため、これらの処理を実行可能となる。そして補正量ｈを算出した後、エンジン制御部１５０がスタータを作動させてエンジン１を始動し、圧力センサ３０からの圧力検出信号に基づきエンジン制御を実行する。

なお、エンジン停止中のタイミングは、上記に限るものではない。例えば、信号待ち等でアイドルストップ機能によりエンジン１を一旦停止させている期間中、或いは、車両の走行終了により運転者がエンジン１を停止させた直後を、エンジン停止中と見なしてもよい。何れの場合も、何ら問題なく信号増幅部４１０で検査信号Ｉtestを増幅して補正量ｈを算出することができる。

但し、検査信号Ｉtestの入力から補正量ｈの算出までの各処理は、必ずしもエンジン停止中に実行する必要はない。５サイクル分の処理に要する時間はごく短時間であるため、エンジン１の運転中に処理を実行してもよい。例えば、エンジン１の定常運転中には筒内の燃焼状態が安定することから、定常運転への移行を条件として処理を実行してもよい。この場合にはエンジン１が定常運転に移行すると、このときの圧力検出信号をエンジン制御部１５０側で記憶した上で、圧力センサ３０からの圧力検出信号を遮断する。そして、記憶している圧力検出信号に基づきエンジン制御を継続しつつ、検査信号Ｉtestを信号増幅部４１０に入力して補正量ｈの算出までの処理を実行する。このように、エンジン運転中に検査信号Ｉtestに基づく処理を実行する場合も本発明は含むものとする。

（ゲイン誤差の補償処理のフローチャート）
次いで、信号増幅部４１０に発生したゲインの誤差を補償するための処理について説明する。
図７は、検査信号生成部４２０、補正量算出部４３０及び信号補正部４４０が実行するゲイン誤差補償ルーチンを示すフローチャートである。説明の便宜上、エンジン始動の直前に、検査信号Ｉtestの入力から補正量ｈの算出までの各処理を実行するものとする。

運転者によりイグニションキーが操作されると、ステップＳ１でゲイン誤差の補償処理を開始する。続くステップＳ２では検査信号生成部４２０から検査信号Ｉtestを出力し、ステップＳ３で補正量算出部４３０により、信号増幅部４１０の出力Ｖoutに基づきピーク電圧Ｖpを計測して記憶する。以上を１サイクルとし、ステップＳ２，３の処理を５サイクル分繰り返す。その後にステップＳ４で補正量算出部４３０により、各サイクルで得られたピーク電圧Ｖpの平均値を算出し、この平均値とＶp目標出力Ｖtgtとの比ｈを補正量として算出する。

その後にエンジン始動が完了するとステップＳ５に移行し、信号増幅部４１０の出力Ｖoutを補正量ｈにより補正する処理を実行する。当該ステップＳ５の処理はエンジン１の運転中に繰り返し実行され、これにより信号増幅部４１０からの出力Ｖoutが補正量ｈに基づき逐次補正される。

以上のように本実施形態の圧力センサ用増幅回路４００においては、エンジン１の停止中に信号増幅部４１０に検査信号Ｉtestを入力してピーク電圧Ｖpを計測し、このピーク電圧Ｖpとゲイン変動無しの所期のゲインに基づく目標出力Ｖtgtとの比ｈを補正量として算出している。そして、その後のエンジン１の運転中には、信号増幅部４１０の出力Ｖoutを補正量ｈに基づき補正している。従って、信号増幅部４１０にゲイン変動が発生している場合であっても、出力Ｖoutに含まれる誤差を排除してエンジン１の筒内の燃焼状態を反映した正確な圧力検出信号に補正でき、この圧力検出信号に基づきエンジン１を適切に制御することができる。

加えて、ゲイン変動が発生しても、正常な増幅機能を維持したまま増幅回路４００の運用を長期に亘って継続できるため、従来からの増幅回路に比較して長寿命化することができる。ゲイン変動により正常な増幅機能が望めなくなると、その要因となる部位、例えばコンデンサ４１１或いは信号増幅部４１０全体等を交換する必要が生じるが、そのための交換作業やコスト等の問題を解消することができる。

また、従来からの増幅回路４００に対し、検査信号生成部４２０、補正量算出部４３０及び信号補正部４４０を追加するだけの簡単な構成で実現できるため、増幅回路４００の製造コストを高騰させることなく実施することができる。

［第２実施形態］
次いで、本発明を別の圧力センサ用増幅回路６００に具体化した第２実施形態を説明する。
第１実施形態では、信号増幅部４１０に生じたゲインの誤差を補償するために、信号補正部４４０により圧力検出信号を補正したが、本実施形態では、信号増幅部６１０のコンデンサ６４１-1～６４１-nを異なる静電容量のものに切り換える対策を講じている。そこで、例えば図１～３等の同一構成の箇所については同一部材番号を付して説明を省略し、相違点を重点的に説明する。

（増幅回路６００の構成）
図８は、圧力検出信号処理装置２００を示す構成図である。
圧力検出信号処理装置２００の増幅回路６００は、信号増幅部６１０、検査信号生成部６２０及びコンデンサ選択部６３０を有し、信号増幅部６１０は、コンデンサ切換部６４０を有する。コンデンサ選択部６３０は、本発明の「補正指標設定部」に相当し、コンデンサ切換部６４０は、本発明の「増幅率補正部」に相当する。

図９は、信号増幅部６１０を示す構成図である。
信号増幅部６１０のオペアンプ６１１の反転入力端子と出力端子との間には、静電容量Ｃfが異なる複数のコンデンサ６４１-1～６４１-nが並列接続されている。各コンデンサ６４１-1～６４１-nには、スイッチング部６４２を構成するスイッチ６４２-1～６４２-nがそれぞれ直列接続され、このスイッチング部６４２と各コンデンサ６４１-1～６４１-nとによりコンデンサ切換部６４０が構成されている。スイッチング部６４２は、各コンデンサ６４１-1～６４１-nを選択的にオペアンプ６１１に負帰還接続させる機能を奏する。

即ち、スイッチング部６４２の何れか１つのスイッチ６４２-1～６４２-nが選択的にONすると、ONしたスイッチ６４２-1～６４２-nに対応するコンデンサ６４１-1～６４１-nがオペアンプ６１１に対して負帰還接続される。従って、負帰還接続されたコンデンサ６４１-1～６４１-nの静電容量Ｃfに応じて信号増幅部４１０のゲインが定まり、そのゲインに基づき、圧力センサ３０からの圧力検出信号が増幅される。

（ゲイン誤差の補償処理）
本実施形態では、上記のようにしてオペアンプ６１１に負帰還接続すべきコンデンサ６４１-1～６４１-nを切り換えることで、信号増幅部４１０に生じたゲインの誤差を補償している。以下に述べるように、検査信号Ｉtestの入力、コンデンサ６４１-1～６４１-nの選択、及びコンデンサ６４１-1～６４１-nの切換からなる全ての処理は、エンジン１の停止中に実行される。そしてコンデンサ６４１-1～６４１-nの切換完了後に、エンジン１が始動されて運転を開始するようになっている。

コンデンサ選択部６３０は、コンデンサ切換部６４０の複数のコンデンサ６４１-1～６４１-nの中から、オペアンプ６１１に負帰還接続させるべきコンデンサ６４１-1～６４１-nを選択する。詳しくは、検査信号生成部４２０からの検査信号Ｉtestが入力されたときの信号増幅部６１０の出力Ｖoutに基づき、第１実施形態で図６に基づき説明したように、時間ｔ2におけるピーク電圧Ｖpを計測する。ピーク電圧Ｖpの計測処理は、第１実施形態と同じく５サイクル分実行され、その後に、計測したピーク電圧Ｖpの平均値とゲイン変動無しの所期のゲインに基づく目標出力Ｖtgtとの比ｈを算出する。

比ｈは、現在のゲインと所期のゲインとの関係を表すことから、この比ｈに基づき、現在のゲインを所期のゲインに戻すために必要なコンデンサ６４１-1～６４１-nの静電容量を求めることができる。そしてコンデンサ選択部６３０は、求めた静電容量に最も近い静電容量を有するコンデンサ６４１-1～６４１-nを、オペアンプ６１１に負帰還接続させるべきコンデンサ６４１-1～６４１-nとして設定し、このコンデンサ６４１-1～６４１-nへの切換指令をコンデンサ切換部６４０に出力する。

切換指令を入力したコンデンサ切換部６４０は、現在接続しているスイッチ６４２-1～６４２-nをOFFすると共に、指令されたコンデンサ６４１-1～６４１-nに対応するスイッチ６４２-1～６４２-nをONしてオペアンプ６１１に負帰還接続させる。

従って本実施形態では、コンデンサ選択部６３０により設定されたコンデンサ６４１-1～６４１-nが、本発明の「信号増幅部に生じたゲインの誤差を補償するための補正指標」に相当する。なお、各コンデンサ６４１-1～６４１-nとそれぞれの静電容量の関係は一義的に定まっているため、比ｈから負帰還接続させるべきコンデンサ６４１-1～６４１-nを直接求めてもよい。

以上のように本実施形態の圧力センサ用増幅回路６００においては、エンジン１の停止中に信号増幅部６１０に検査信号Ｉtestを入力してピーク電圧Ｖpを計測し、このピーク電圧Ｖpとゲイン変動無しの所期のゲインに基づく目標出力Ｖtgtとの比ｈを算出している。そして、この比ｈに基づき、現在のゲインを所期のゲインに戻すことが可能な静電容量を有するコンデンサ６４１-1～６４１-nを選択して、オペアンプ６１１に負帰還接続させている。従って、信号増幅部６１０にゲイン変動が発生している場合であっても、出力Ｖoutに含まれる誤差を排除してエンジン１の筒内の燃焼状態を反映した正確な圧力検出信号に補正でき、この圧力検出信号に基づきエンジン１を適切に制御することができる。

加えて、ゲイン変動が発生しても、正常な増幅機能を維持したまま増幅回路６００の運用を継続できるため、長寿命化することができる。また、従来からの信号増幅部６１０に対して簡単な構成を追加するだけで、製造コストを高騰させることなく実施できる。

本発明の態様はこの実施形態に限定されるものではない。例えば上記各実施形態では、エンジン１の筒内の燃焼圧を圧力センサ３０用の増幅回路４００，６００に具体化したが、これに限るものではない。検出対象からの受圧に応じて圧電素子に電荷を生起させるセンサ用の増幅回路であれば、任意に変更可能である。

従って、例えば加速度に応じた圧力を圧電素子に作用させて電荷を生起する加速度センサ、或いは、周囲の音を圧力として圧電素子に作用させて電荷を生起する圧電素子型の補聴器やマイク等を対象とした増幅回路に具体化してもよい。

また上記各実施形態では、検査信号Ｉtestとして、負側の矩形波の入力（時間ｔ1）、０Ａの保持（時間ｔ2）、正側の矩形波の入力（時間ｔ3）及び０Ａの保持（時間ｔ4）からなる波形パターンを用いたが、これに限るものではない。検査信号Ｉtestの波形パターンは任意に変更可能であり、また、例えば検査信号Ｉtestをオペアンプ４１２，６１１の非反転入力端子に入力する構成としてもよい。

また上記各実施形態では、検査信号Ｉtestの入力及びピーク電圧Ｖpの計測を５サイクル分実行したが、これに限るものではない。例えば、実行するサイクル数を増減してもよいし、１サイクル分のみを実行してもよい。１サイクル分のみの処理を実行する場合には、負側の矩形波の入力により増加した信号増幅部４１０，６１０の出力Ｖoutを接地電位に戻す必要がなくなるため、正側の矩形波の入力を省略してもよい。

また上記各実施形態では、圧力センサ３０からの圧力検出信号を信号増幅部４１０，６１０により増幅してエンジン１の料噴射制御や点火時期制御に適用したが、これに限るものではない。例えば、増幅後の圧力検出信号に基づきエンジン１の筒内での失火の有無を判定してもよい。信号増幅部４１０，６１０にゲイン変動が発生した場合には、誤差を含んだ圧力検出信号に基づき失火を誤判定してしまうが、本発明を適用すれば、このような事態を未然に防止することができる。

１ エンジン（検出対象）
３０ 圧力センサ（センサ）
３５ 圧電素子
３００ エンジン制御システム
４００，６００ 増幅回路
４１０，６１０ 信号増幅部
４１１，６４１-1～６４１-n コンデンサ
４１２，６１１ オペアンプ（演算増幅器）
４２０，６２０ 検査信号生成部
４３０ 補正量算出部（補正指標設定部）
４４０ 信号補正部（増幅率補正部）
６３０ コンデンサ選択部（補正指標設定部）
６４０ コンデンサ切換部（増幅率補正部）
６４２ スイッチング部

Claims (8)

1. 検出対象からの受圧に応じた電荷を生起する圧電素子を含むセンサを対象としたセンサ用増幅回路であって、
   演算増幅器と前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に負帰還接続されたコンデンサとを含み、前記センサの圧電素子から前記演算増幅器に入力される電荷を所定の増幅率で増幅して検出信号として出力する信号増幅部と、
   前記センサの圧電素子からの電荷に代えて、予め設定された波形パターンの検査信号を生成して前記信号増幅部の演算増幅器に入力する検査信号生成部と、
   前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と予め設定された目標出力とに基づき、前記信号増幅部に生じた増幅率の誤差を補償するための補正指標を設定する補正指標設定部と、
   前記補正指標設定部により設定された補正指標に基づき、前記信号増幅部の増幅率を補正する増幅率補正部と、
   を備えたことを特徴とするセンサ用増幅回路。
2. 前記増幅率補正部は、前記信号増幅部から出力される検出信号を補正可能な信号補正部であり、
   前記補正指標設定部は、前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と前記目標出力とに基づき、前記信号増幅部から出力される検出信号に対する補正量を前記補正指標として設定し、前記設定した補正量に基づき前記信号補正部に前記検出信号を補正させる補正量算出部である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ用増幅回路。
3. 前記増幅率補正部は、前記コンデンサとして前記信号増幅部に設けられた静電容量が異なる複数のコンデンサ、及び前記複数のコンデンサを前記演算増幅器の入力端子と出力端子との間に選択的に負帰還接続させるスイッチング部からなるコンデンサ切換部であり、
   前記補正指標設定部は、前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と前記目標出力とに基づき、前記コンデンサ切換部の複数のコンデンサの中から前記演算増幅器に負帰還接続させるべきコンデンサを前記補正指標として設定し、前記設定したコンデンサを前記コンデンサ切換部のスイッチング部に負帰還接続させるコンデンサ選択部である
   ことを特徴とする請求項１に記載のセンサ用増幅回路。
4. 前記検出対象は、エンジンであり、
   前記センサは、前記エンジンの筒内の燃焼圧を前記圧電素子に受圧させる圧力センサであり、
   前記検査信号生成部は、前記エンジンの停止中に、前記演算増幅器に前記検査信号を入力し、
   前記補正量算出部は、前記エンジンの停止中に、前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と前記目標出力とに基づき前記補正量を設定し、
   前記信号補正部は、前記エンジンの運転中に、前記補正量算出部により設定された前記補正量に基づき前記信号増幅部から出力される検出信号を補正する
   ことを特徴とする請求項２に記載のセンサ用増幅回路。
5. 前記検出対象は、エンジンであり、
   前記センサは、前記エンジンの筒内の燃焼圧を前記圧電素子に受圧させる圧力センサであり、
   前記検査信号生成部は、前記エンジンの停止中に、前記演算増幅器に前記検査信号を入力し、
   前記コンデンサ選択部は、前記エンジンの停止中に、前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と前記目標出力とに基づき前記演算増幅器に負帰還接続させるべきコンデンサを設定し、
   前記コンデンサ切換部は、前記エンジンの停止中に、前記コンデンサ選択部により設定されたコンデンサを前記スイッチング部に負帰還接続させる
   ことを特徴とする請求項３に記載のセンサ用増幅回路。
6. 前記検査信号生成部は、前記波形パターンの検査信号を１サイクルとして、予め設定された複数のサイクル分を繰り返し前記演算増幅器に入力し、
   前記補正指標設定部は、前記複数のサイクルにおける前記検査信号生成部から前記検査信号が入力された際の前記演算増幅器の出力と前記目標出力とに基づき前記補正指標を設定する
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載のセンサ用増幅回路。
7. 前記１サイクルは、正側と負側との何れか一方の波形と、前記何れか一方の波形の入力により変化した前記演算増幅器の出力を入力前の値に戻すための何れか他方の波形とからなる波形パターンの検査信号である
   ことを特徴とする請求項６に記載のセンサ用増幅回路。
8. 請求項１乃至７の何れか１項に記載のセンサ用増幅回路と、
   前記センサ用増幅回路の出力に基づきエンジンを制御するエンジン制御部と、
   を備えたことを特徴とするエンジン制御システム。

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