JP4833825B2

JP4833825B2 - 圧力センサのチャージアンプ

Info

Publication number: JP4833825B2
Application number: JP2006354024A
Authority: JP
Inventors: 竜夫山中; 山口　　聡
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2006-12-28
Filing date: 2006-12-28
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2026-12-28
Also published as: JP2008164422A

Description

この発明は圧力センサのチャージアンプに関し、より詳しくはセンサ故障などを検知、即ち、自己診断できるようにしたものに関する。

圧力センサのセンシングデバイスとして圧電材料を用いる場合、通常、チャージアンプを利用して圧電材料の変位量に比例して発生する電荷量を、積分回路とコンデンサを組み合わせて電圧値に変換する。そのようなチャージアンプの例として下記の特許文献１記載の技術を挙げることができる。

その従来技術に係るチャージアンプは、オペアンプを正負の両電源によってではなく、一端を接地させて動作させることで、内燃機関など正電源のバッテリしか有しない機構に適した、安価で使い勝手の良いアナログ回路から構成されている。
特開２００２−１６８７１９号公報

しかしながら、上記した従来技術は、圧力センサに異常が生じたとき、それがセンシングデバイス（圧電材料）と受信回路（チャージアンプ）間の断線故障なのか、あるいはセンシングデバイス自体の故障（ショート）なのかを自己診断する機能がない点で不満が残るものであった。

従って、この発明の目的は上記した課題を解決し、圧力センサに異常が生じたとき、それが断線故障なのかセンサ故障なのかを検知、即ち、自己診断できるようにした圧力センサのチャージアンプを提供することにある。

上記の目的を解決するために、請求項１にあっては、圧電型の圧力センサに信号線を介して接続され、その発生電荷を入力して電圧変換する第１のオペアンプを備えたチャージアンプにおいて、前記圧力センサにコンデンサを介して前記第１のオペアンプと並列に入力端子の一方が接続されると共に、前記入力端子の他方が接地された第２のオペアンプと、前記コンデンサと前記第２のオペアンプの出力端子に入力端子の一方が接続されると共に、前記入力端子の他方が接地された第３のオペアンプと、前記第２、第３のオペアンプの出力に基づき、前記圧力センサの故障あるいは前記信号線の断線故障を検知して出力する故障検知手段とを備える如く構成した。

請求項２に係る圧力センサのチャージアンプにあっては、前記故障検知手段は、前記第２のオペアンプの出力に基づいて前記圧力センサの故障を検知し、センサ故障信号を出力する如く構成した。

請求項３に係る圧力センサのチャージアンプにあっては、前記故障検知手段は、前記第３のオペアンプの出力に基づいて前記信号線の断線故障を検知し、断線故障信号を出力する如く構成した。

請求項１に係る圧力センサのチャージアンプにあっては、圧電型の圧力センサに信号線を介して接続され、その発生電荷を入力して電圧変換する第１のオペアンプと並列に、圧力センサにコンデンサを介して入力端子の一方が接続されると共に、入力端子の他方が接地された第２のオペアンプと、コンデンサと第２のオペアンプの出力端子に入力端子の一方が接続されると共に、入力端子の他方が接地された第３のオペアンプを備え、第２、第３のオペアンプの出力に基づき、圧力センサの故障あるいは信号線の断線故障を検知して出力する如く構成したので、圧力センサに異常が生じたとき、それが断線故障なのか、あるいはセンサ故障なのかを精度良く検知（自己診断）して出力することができる。

請求項２に係る圧力センサのチャージアンプにあっては、第２のオペアンプの出力に基づいて圧力センサの故障を検知し、センサ故障信号を出力する如く構成したので、上記した効果を一層良く得ることができる。

請求項３に係る圧力センサのチャージアンプにあっては、第３のオペアンプの出力に基づいて信号線の断線故障を検知し、断線故障信号を出力する如く構成したので、上記した効果を一層良く得ることができる。

以下、添付図面に即してこの発明に係る圧力センサのチャージアンプを実施するための最良の形態について説明する。

図１は、この発明の実施例に係る圧力センサのチャージアンプを全体的に示す概略図である。

図１において、符号１０はチャージアンプを示す。チャージアンプ１０はチャージアンプ本体１０ａと、出力ＥＣＵ１０ｂと、自己診断回路１０ｃとからなる。

チャージアンプ本体１０ａは、信号線１２を介して圧電型の圧力センサ１４に接続される。図示は省略するが、圧力センサ１４は圧電セラミックなどの圧電材料（圧電素子。センシングデバイス）からなり、圧力が印加されて変位すると、結晶の表面に変位量に比例した量の電荷を発生する。

チャージアンプ本体１０ａは、後述するように第１のオペアンプ（オペレーショナル・アンプリファイア。演算増幅器。図示せず）を備え、第１のオペアンプは圧力センサ１４の発生電荷を入力して電圧変換する。出力ＥＣＵ１０ｂはマイクロコンピュータからなり、チャージアンプ本体１０ａの出力を入力し、電源電圧Ｖｃｃ（５Ｖ付近）と接地電圧Ｇｎｄ（０Ｖ付近）の間の出力に変換して出力する。

自己診断回路１０ｃは、検出回路１０ｃ１と、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）１０ｃ２と、微分回路１０ｃ３を備える。検出回路１０ｃ１と微分回路１０ｃ３の出力は出力ＥＣＵ１０ｂの比較器１０ｂ１に入力され、そこで後述するように故障が検知（自己診断）される。このように出力ＥＣＵ１０ｂと自己診断回路１０ｃは、圧力センサ１４に異常が生じたとき、それが圧力センサ１４の故障なのか、あるいは信号線１２の断線なのかを検知、即ち、自己診断する。

図１に示す構成は、例えば図２に示す如く、内燃機関の筒内圧を検出する圧力センサとして使用される。

図２において、圧力センサ１４は４気筒の内燃機関１６のそれぞれの気筒の点火プラグ２０の座金に内蔵させられ、燃焼室内の圧力（筒内圧）に応じた出力を生じ、対応する信号線１２を介してチャージアンプ１０に送る。チャージアンプ１０の出力は、ＣＡＮ通信を介してマイクロコンピュータからなるＥＣＵ（Electronic Control Unit。電子制御ユニット）２４に送られる。

ＥＣＵ２４において、チャージアンプ１０の出力は、適宜なクランク角度（例えば１度）ごとにＡ／Ｄ変換され、検出された筒内圧などから燃料噴射量と噴射時期が算出され、駆動回路２６を介してインジェクタ３０が駆動される。図１に図２のＥＣＵ２４を想像線で示す。

尚、図２の構成において、ＥＣＵ２４に代え、チュージアンプ１０の出力をシミュレータに接続し、ベンチに置かれた内燃機関１６の筒内圧や燃料噴射制御アルゴリズムなどをシミュレーションで解析することも良く行われる。

図３は、図１に示すチャージアンプ１０の内、チャージアンプ本体１０ａと自己診断回路１０ｃのアナログ回路構成を示す回路図である。

図３の説明に入る前に、図４を参照してこの発明の課題を再説する。

図４は、前記した従来技術に係るチャージアンプ本体１０ａの構成を示す回路図である。尚、図４に示す従来技術の回路構成は、図３に示すこの実施例に係るチャージアンプ本体１０ａの回路構成と異ならない。

図４において、チャージアンプ本体１０ａは、入力端子の一方（反転入力端子）が圧力センサ１４に信号線１２を介して接続され、その発生電荷を入力して電圧変換する第１のオペアンプ１０ａ１を備える。第１のオペアンプ１０ａ１の電源端子の一方は正電源Ｖｃｃが印加されると共に、その他方はＧｎｄに接地される。

第１のオペアンプ１０ａ１の他方の入力端子（非反転入力端子）は正電源Ｖｃｃに接続されると共に、出力端子はコンデンサ１０ａ２と抵抗１０ａ３を介して反転入力端子に負帰還される。その反転入力端子は、コンデンサ１０ａ４，１０ａ５からなるＬＰＦを介して信号線１２に接続される。尚、信号線１２と接地（ＧＮＤ）の間には電荷チャージコンデンサ１０ａ６が介挿される。かかる構成により、チャージアンプ本体１０ａは、圧力センサ１４の変位量に比例した電荷量に応じた電圧値に変換する。

図４に示す回路構成において、信号線１２が部位３２で断線すると、第１のオペアンプ１０ａ１からは図５に示すような信号が出力される。同様に、圧力センサ１４にショートなどの故障が生じると、第１のオペアンプ１０ａ１からは図６に示すような信号が出力される。図５、図６は、具体的には図２に関して説明したシミュレータにチャージアンプ１０の出力を入力したときのシミュレーションデータである。

図７は、ＥＣＵ２４が入力する、第１のオペアンプ１０ａ１の出力信号を示すデータである。図５などと同様に、図２に関して説明したシミュレータにチャージアンプ１０の出力を入力したときのシミュレーションデータとして示す。

図示の如く、第１のオペアンプ１０ａ１の出力はＶｃｃでもＧｎｄでもなく、０．３Ｖとなる。これは、コンデンサ１０ａ２，１０ａ６に帯電される電荷の影響により、第１のオペアンプ１０ａ１の出力が浮遊するためである。このように故障時はＧｎｄおよびＶｃｃの飽和がないことから、故障検知が困難であった。

この発明はかかる課題を解決し、圧力センサ１４に異常が生じたとき、それが断線故障なのかセンサ故障なのかを検知、即ち、自己診断するようにした圧力センサ１４のチャージアンプ１０を提供することにある。具体的には、「入力インピーダンスが無限大であり、かつ入力端子の＋と−が同電位である」というオペアンプの特性に着目し、圧力センサ１４から出力される電荷量の変換に影響を与えることなく、信号線１２の断線あるいは圧力センサ１４の故障が生じたときの電荷変動量を計測し、故障を検知（自己診断）するように構成した。

即ち、信号線１２の断線あるいは圧力センサ１４の故障を、第１のオペアンプ１０ａ１の出力信号に影響を及ぼさないように、自己診断回路１０ｃにおいてコンデンサ１０ａ６から流れる電流（蓄電される電荷量）を計測し、出力ＥＣＵ１０ｂで故障を検知（自己診断）するように構成した。

上記を前提として図３を説明する。尚、図３において、信号線１２に接続される第１のオペアンプ１０ａ１などの構成は、図４のそれと異ならないので、同一の符号を用いて説明を省略する。

自己診断回路１０ｃにおいて、検出回路１０ｃ１は、圧力センサ１４にコンデンサ１０ａ６（と抵抗１０ａ７）を介して第１のオペアンプ１０ａ１と並列に入力端子の一方（反転入力端子）が接続されると共に、入力端子の他方（非反転入力端子）が接地（ＧＮＤ）された第２のオペアンプ１０ｃ１０からなる。第２のオペアンプ１０ｃ１０の非反転入力端子は接地されると共に、電源端子の一方には図４で説明した正電源Ｖｃｃが印加され、その他方は接地（Ｇｎｄ）される。

ＬＰＦ１０ｃ２は、コンデンサ１０ａ６に抵抗１０ａ７を介して第２のオペアンプ１０ｃ１０と並列に接続されるコンデンサ１０ｃ２０と、コンデンサ１０ｃ２０に並列に接続される抵抗１０ｃ２１からなる。

微分回路１０ｃ３は、前記したコンデンサ１０ａ６（と抵抗１０ａ７）と第２のオペアンプ１０ｃ１０の出力端子に入力端子の一方（反転入力端子）が接続されると共に、入力端子の他方（非反転入力端子）が接地（ＧＮＤ）された第３のオペアンプ１０ｃ３０を有する。

より具体的には、コンデンサ１０ａ６と抵抗１０ａ７が直列に接続された回路は、一方では途中で分岐して検出回路１０ｃ１の第２のオペアンプ１０ｃ１０の反転入力端子に接続されると共に、他方ではＬＰＦ１０ｃ２に接続される。第３のオペアンプ１０ｃ３０は反転入力端子がＬＰＦ１０ｃ２と第２のオペアンプ１０ｃ１０の出力端子にコンデンサ１０ｃ３１を介して接続されると共に、非反転入力端子はコンデンサ１０ｃ３２を介して接地（ＧＮＤ）される。

第３のオペアンプ１０ｃ３０の出力端子は、抵抗１０ｃ３３を介して反転入力端子に負帰還される。尚、第３のオペアンプ１０ｃ３０も、電源端子の一方には正電源Ｖｃｃが印加されると共に、その他方は接地（Ｇｎｄ）される。

自己診断回路１０ｃ（および出力ＥＣＵ１０ｂ）の動作を説明すると、圧力センサ１４が故障すると、破線で示すように電流ｉ１が流れる。即ち、コンデンサ１０ａ６は抵抗１０ａ７を介して第２のオペアンプ１０ｃ１０の反転入力端子に接続されるため、コンデンサ１０ａ６にチャージされた電荷は、第２のオペアンプ１０ｃ１０の反転入力端子と、それと同電位である第２のオペアンプ１０ｃ１０の非反転入力端子を介してＧｎｄに帰還される。

入力インピーダンスが無限大というオペアンプの特性上、電流ｉ１はコンデンサ１０ａ６に流れこみ、第２のオペアンプ１０ｃ１０の負帰還回路が成立する。それにより、圧力センサ１４が故障したときは第２のオペアンプ１０ｃ１０の出力端子がその故障信号を出力するので、出力ＥＣＵ１０ｂはその出力から圧力センサ１４の故障を検知することができる。尚、電流ｉ１は、基本的に、圧力センサ１４が故障したときしか流れない。

他方、コンデンサ１０ａ６からは電荷がチャージされる度に実線で示すように電流ｉ２が流れるが、電流ｉ２はＬＰＦ１０ｃ２によってブロックされ、微分回路１０ｃ３の第３のオペアンプ１０ｃ３０には流れない。

しかしながら、信号線１２が断線すると、第１のオペアンプ１０ａ１のコンデンサ１０ａ２のチャージ電流も流れるため、電流ｉ２はＬＰＦ１０ｃ２を通過して微分回路１０ｃ３の第３のオペアンプ１０ｃ３０に流れる。即ち、第３のオペアンプ１０ｃ３０が信号線１２が断線したことを示す故障信号を出力する。従って、出力ＥＣＵ１０ｂはその出力から信号線１２の断線を検知することができる。

図８は信号線１２が断線故障したときの図３の回路の出力を示す、図４と同様のシミュレーションデータであり、図９は圧力センサ１４が故障したときの図３の回路の出力を示す、図５などと同様のシミュレーションデータである。

図４の第１のオペアンプ１０ａ１の出力を丸付き数字１で、図３の第１のオペアンプ１０ａ１の出力を丸付き数字２で、図３の第２、第３のオペアンプ１０ｃ１０，１０ｃ３０の出力を丸付き数字３，４で示す。

図８、図９の（ａ）は図３、図４の第１のオペアンプ１０ａ１の出力のマッチングを示す（２つの信号が出力されているが、重なり合って１つの信号のように見える）。図８，９の（ｂ）は図４の第１のオペアンプ１０ａ１の出力を、（ｃ）は図３の第１のオペアンプ１０ａ１の出力を示す。（ａ）から明らかなように両者は完全に一致する。

図８（ｄ）（ｅ）は断線故障のときの第２、第３のオペアンプ１０ｃ１０，１０ｃ３０の出力を、図９（ｄ）（ｅ）はセンサ故障のときの第２、第３のオペアンプ１０ｃ１０，１０ｃ３０の出力を示す。図示の如く、断線故障とセンサ故障に応じて第２のオペアンプ１０ｃ１０と第３のオペアンプ１０ｃ３０の出力は相違する。

尚、それに先立ち、出力ＥＣＵ１０ｂは、第１のオペアンプ１０ａ１の出力に異常が生じたとき、それを検知して図８、図９の（ｆ）に示す如く、故障開始フラグ（flag）のビットを１にセットする。

従って、出力ＥＣＵ１０ｂにおいて比較器１０ｂ１は、故障開始フラグのビットが１にセットされたとき、圧力センサ１４に異常が生じたと判断し、図８の（ｅ）あるいは図９の（ｄ）の出力から信号線１２が断線したのか、あるいは圧力センサ１４に故障が生じたのかを検知（自己診断）し、検知結果を図２に示すＥＣＵ２４にＣＡＮ通信を介して送信する。

より具体的には、図８に示す如く、故障開始フラグのビットが１にセットされた後、（ｅ）の出力を監視し、所定値（微小値）以上変動したときは、信号線１２が断線したと判断（検知）する。即ち、（ｅ）の出力は通常であれば変動しない筈であるので、（ｅ）が所定値以上変動したときは、信号線１２が断線したと判断する。

また、図９に示す如く、故障開始フラグのビットが１にセットされた後、（ｄ）の出力を監視し、その面積（積分）値が適宜設定されるしきい値を超えるまでの時間が所定時間を超えるとき、圧力センサ１４が故障したと判断する。所定時間は、例えば０．１ｓｅｃとする。

尚、図２に示す構成においてＥＣＵ２４のセンサ信号読み取り時に許容する信号は、１．０Ｖから４．０Ｖの間である。そこで、出力ＥＣＵ１０ｂは、断線故障を検出したとき、例えば４．６５Ｖの出力をＥＣＵ２４に送信すると共に、センサ故障を検出したとき、例えば０．３Ｖの出力をＥＣＵ２４に送信し、ＥＣＵ２４は、このような出力が送信されたとき、断線故障あるいはセンサ故障が生じたと判断するように構成される。

このように、検出された圧力を示すセンサ信号に許容された電圧の範囲外の電圧を使用することにより、信号線１２で断線故障あるいはセンサ故障が生じた旨の情報をＥＣＵ２４に送ることができる。

尚、図１において自己診断回路１０ｃをチャージアンプ本体１０ａと並列に接続したが、図１０に示す如く、チャージアンプ本体１０ａの後段に接続しても良い。

この実施例に係る圧電型の圧力センサ１４に信号線１２を介して接続され、その発生電荷を入力して電圧変換する第１のオペアンプ１０ａ１を備えたチャージアンプ１０において、前記圧力センサ１４にコンデンサ１０ａ６を介して前記第１のオペアンプ１０ａ１と並列に入力端子の一方が接続されると共に、前記入力端子の他方が接地された第２のオペアンプ１０ｃ１０（より具体的にはそれを備えた検出回路１０ｃ）と、前記コンデンサ１０ａ６に接続されるＬＰＦ１０ｃ２と、前記コンデンサ１０ａ６と前記第２のオペアンプ１０ｃ３の出力端子にＬＰＦ１０ｃ２を介して入力端子の一方が接続されると共に、より具体的には入力端子の一方が前記コンデンサ１０ａ６にＬＰＦ１０ｃ２を介して接続されると共に前記第２のオペアンプ１０ｃ３の出力端子に接続される一方、前記入力端子の他方が接地された第３のオペアンプ１０ｃ３０（より具体的にはそれを備えた微分回路１０ｃ３）と、前記第２、第３のオペアンプ１０ｃ１０，１０ｃ３０の出力に基づき、前記圧力センサ１４の故障あるいは前記信号線１２の断線故障を検知して出力する故障検知手段（出力ＥＣＵ１０ｂの比較器１０ｂ１）とを備える構成した。これにより、圧力センサ１４に異常が生じたとき、それが断線故障なのか、あるいはセンサ故障なのかを精度良く検知（自己診断）して出力することができる。

また、前記故障検知手段は、前記第２のオペアンプ１０ｃ１０の出力に基づいて前記圧力センサ１４の故障を検知し、センサ故障信号（図９（ｄ））を出力する如く構成したので、上記した効果を一層良く得ることができる。

また、前記故障検知手段は、前記第３のオペアンプ１０ｃ３０の出力に基づいて前記信号線１２の断線故障を検知し、断線故障信号（図８（ｅ））を出力する如く構成したので、上記した効果を一層良く得ることができる。

尚、上記において、圧力センサ１４を内燃機関の筒内圧を検出する場合を例にとって説明したが、この発明はそれに限定されるものではなく、それ以外の圧力を検出するセンサにも妥当する。

この発明の実施例に係る圧力センサのチャージアンプを全体的に示す概略図である。図１に示す構成を例えば内燃機関の筒内圧を検出する圧力センサとして使用するときの構成を示す説明図である。図１に示すチャージアンプの内、チャージアンプ本体と自己診断回路の構成を示す回路図である。従来技術に係るチャージアンプ本体の構成を示す回路図である。図４に示す回路構成において信号線が断線したときの第１のオペアンプの出力を示す、シミュレーションデータである。同様に、図４に示す回路構成において圧力センサが故障したときの第１のオペアンプの出力を示す、シミュレーションデータである。ＥＣＵが入力する、第１のオペアンプの出力信号を示すシミュレーションデータである。図３に示す構成において、信号線が断線故障したときの第２、第３オペアンプの出力を示すシミュレーションデータである。同様に、図３に示す構成において、圧力センサが故障したときの第２、第３のオペアンプの出力を示すシミュレーションデータである。この実施例に係る圧力センサのチャージアンプの変形例を示す、図１と同様の概略図である。

符号の説明

１０チャージアンプ、１０ａチャージアンプ本体、１０ａ１第１のオペアンプ、１０ａ６コンデンサ、１０ｂ出力ＥＣＵ、１０ｃ自己診断回路、１０ｃ１検出回路、１０ｃ１０第２のオペアンプ、１０ｃ３微分回路、１０ｃ３０第３のオペアンプ、１２信号線、１４圧力センサ、１６内燃機関、２４ＥＣＵ

Claims

圧電型の圧力センサに信号線を介して接続され、その発生電荷を入力して電圧変換する第１のオペアンプを備えたチャージアンプにおいて、前記圧力センサにコンデンサを介して前記第１のオペアンプと並列に入力端子の一方が接続されると共に、前記入力端子の他方が接地された第２のオペアンプと、前記コンデンサと前記第２のオペアンプの出力端子に入力端子の一方が接続されると共に、前記入力端子の他方が接地された第３のオペアンプと、前記第２、第３のオペアンプの出力に基づき、前記圧力センサの故障あるいは前記信号線の断線故障を検知して出力する故障検知手段とを備えたことを特徴とする圧力センサのチャージアンプ。
前記故障検知手段は、前記第２のオペアンプの出力に基づいて前記圧力センサの故障を検知し、センサ故障信号を出力することを特徴とする請求項１記載の圧力センサのチャージアンプ。
前記故障検知手段は、前記第３のオペアンプの出力に基づいて前記信号線の断線故障を検知し、断線故障信号を出力することを特徴とする請求項１または２記載の圧力センサのチャージアンプ。