JP5075930B2

JP5075930B2 - 電荷変化型センサの出力回路

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Publication number: JP5075930B2
Application number: JP2010034492A
Authority: JP
Inventors: 能正江口
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: US8508217B2; CN102192758B; US20110204877A1; JP2011169783A; CN102192758A

Description

本発明は、電荷変化型センサの出力回路に関し、より具体的には、電荷変化型センサの電流出力を電圧出力に変換して出力する出力回路に関する。

従来から、圧電素子等の電荷変化型センサの出力回路として、センサの電荷量をコンデンサに蓄えてその出力電圧を得る電荷―電圧変換回路（チャージアンプ型回路）と、センサの電荷量を抵抗を介して流れる電流とした上でその電流から出力電圧を得る電流―電圧変換回路がある。

特許文献１は、電荷変化型センサの信号処理装置を開示する。この信号処理装置では、電荷―電圧変換回路（チャージアンプ型回路）において電荷変化型センサの異常を検出する。

特開２００７−５１９３０号公報

従来の電荷―電圧変換回路（チャージアンプ型回路）では、センサケーブルの絶縁抵抗およびオペアンプの入力インピーダンスが実際には有限であることから、電荷変化型センサで発生した電荷の一部がセンサケーブルの絶縁抵抗あるいはオペアンプの入力端子を通じて漏れてしまう。その結果、測定誤差（感度低下、ゼロ点ドリフト）、特に低周波におけるまたは長時間測定での測定誤差が大きくなってしまう。

特許文献１に記載の電荷―電圧変換回路（チャージアンプ型回路）を利用する信号処理装置では、この測定誤差の問題を回避あるいは低減することはできない。この点、従来の電流―電圧変換回路は、この絶縁抵抗、入力インピーダンスによる測定誤差（感度低下）を低減することができる。

しかし、従来の電流―電圧変換回路は、電荷変化型センサまたはセンサケーブル回路が故障（断線、短絡）しても、電荷が発生していないときは、その故障を検知することはできない。電荷を測定する前に故障を確認したい場合、この回路に影響を与えないような故障検知回路を別途用意する必要がある。

さらに、従来のいずれの方式の変換回路も、電荷変化型センサの温度を測定し、測定データの温度補償に利用することを考慮していない。

そこで、本発明は、電荷変化型センサの出力回路において、絶縁抵抗や入力インピーダンスによる測定誤差（感度低下）を低減することを目的とする。

また、本発明は、電荷変化型センサの出力回路において、実際の測定を開始する前でも、電荷変化型センサあるいはセンサケーブル回路の故障（断線、短絡）を検知できるようにすることを目的とする。

さらに、本発明は、電荷変化型センサの出力回路において、電荷変化型センサの温度を測定し、測定データの温度補償に利用することができるようにすることを目的とする。

本発明は、電荷変化型センサの出力回路を提供する。その電荷変化型センサの出力回路は、電荷変化型センサの出力にセンサケーブルを介して接続する反転入力と、基準電位に接続する非反転入力と、前記反転入力に第１抵抗を介して接続する出力とを有するオペアンプと、電荷変化型センサの出力とグランドとの間に接続される第２抵抗とを備え、オペアンプは、電荷変化型センサが保有する電荷量に応じて変化する検出信号を出力する。

本発明によれば、電荷変化型センサの出力回路において、絶縁抵抗や入力インピーダンスによる測定誤差（感度低下）を低減することができる。

本発明の一形態によると、オペアンプは、前記電荷変化型センサまたは前記センサケーブルの断線または短絡の際にはそれぞれ所定のオフセット信号を出力する。

本発明の一形態によれば、実際の測定を開始する前でも、電荷変化型センサあるいはセンサケーブル回路の故障（断線、短絡）を検知することが可能となる。

本発明の一形態によると、基準電位は０Ｖより大きい所定電位であり、オペアンプのオフセット信号は、電荷変化型センサまたはセンサケーブルの断線または短絡に応じて所定電位またはオペアンプの飽和出力電位になる。

本発明の一形態によれば、電荷変化型センサの出力回路の出力（オペアンプのオフセット信号）から電荷変化型センサまたはセンサケーブルの断線または短絡のいずれかを選別して検知することが可能となる。

本発明の一形態によると、さらに、オペアンプの出力に接続し、電荷変化型センサまたはセンサケーブルの断線または短絡の有無を判定する判定回路を備え、その判定回路は、オペアンプの出力を受けて検出信号を出力するローパスフィルタと、オペアンプの出力を受けてオフセット信号を出力する平滑回路とを有する。

本発明の一形態によれば、電荷変化型センサの出力回路が備える判定回路が、電荷変化型センサの検出信号と、電荷変化型センサまたはセンサケーブルの断線または短絡を示すオフセット信号とを区別可能に出力するので、電荷変化型センサの検出信号の取得前、取得中のいずれにおいても逐次電荷変化型センサまたはセンサケーブルの故障の有無を速やかに把握することが可能となる。

本発明の一形態によると、第２抵抗は測温抵抗体からなり、オフセット信号から電荷変化型センサ近傍の温度を検出する。

本発明の一形態によれば、電荷変化型センサの出力回路において、電荷変化型センサの温度を測定し、測定データの温度補償に利用することが可能となる。

本発明の一形態によると、判定回路は、オペアンプの反転入力と出力とを入力とする差動アンプを有し、ローパスフィルタと平滑回路は当該差動アンプの出力に接続する。

本発明の一実施例に従う、電荷変化型センサの出力回路の構成を示す図である。従来の電荷変化型センサの電流―電圧変換回路の構成例を示す図である。図２の時間積分器の出力例を示す図である。本発明の他の実施例に従う、電荷変化型センサの出力回路の構成を示す図である。電荷変化型センサの出力回路の出力を示す図である。電荷変化型センサの出力回路の出力を示す図である。

図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、比較のために必要に応じて従来技術を示す図も参照しながら説明する。また、以下の説明では、いずれも電荷変化型センサとして、センサケーブルを用いる圧電センサを使用する場合を示しているが、本発明は、圧電センサのみならず、電極基板間の静電容量の変化を利用する静電容量式や摩擦力によって発生する静電気量を利用する摩擦電気方式等の任意の電荷変化型のセンサに対しても適用可能である。

図１は、本発明の一実施例に従う、電荷変化型センサの出力回路の構成を示す図である。図２は、比較のために示す、従来の電荷変化型センサの電流―電圧変換回路の構成例を示す図である。最初に図２の従来の電荷変化型センサの電流―電圧変換回路について説明する。

図２において、領域１０は圧電センサの等価回路であり、センサ内部の静電容量Ｃ１を含む。ΔＱは圧電センサで発生する電荷量を意味する。領域１１は圧電センサのセンサケーブルの等価回路であり、絶縁抵抗ｒと静電容量Ｃ２を含む。領域１２は電流―電圧変換回路であり、オペアンプ１４を含む。オペアンプ１４の非反転入力（＋）は、圧電センサのセンサケーブルに接続するとともに抵抗Ｒ３を介して接地され、反転入力（−）と出力Ｖｏｕｔはフィードバックライン１５で接続される。オペアンプ１４の出力Ｖｏｕｔは時間積分器１３に入力される。時間積分器１３は、電荷ΔＱに比例する測定データを得たい場合に、出力Ｖｏｕｔを時間積分するための回路である。

図２の回路は、圧電センサで発生した電荷ΔＱによる電流Ｉ_Ｒ（＝ｄ（ΔＱ）／ｄｔ）が抵抗Ｒ３を流れるときに発生する電圧Ｖｏｕｔを出力する回路である。測定したい現象が、カットオフ周波数ｆｃ＝１／（２π（Ｃ１＋Ｃ２）Ｒ３）より十分低い周波数であり、かつセンサケーブルの絶縁抵抗ｒおよびオペアンプの入力インピーダンスが無限大であるとき、圧電センサおよびセンサケーブルの静電容量Ｃ１、Ｃ２に無関係に、次式により電荷ΔＱによる電流Ｉ_Ｒに比例した電圧Ｖｏｕｔが得られる。さらに時間積分器１３からはＶｏｕｔを時間積分した測定データが得られる。

Ｖｏｕｔ＝Ｉ_Ｒ×Ｒ３（１）

図２の従来の電流―電圧変換回路では、カットオフ周波数ｆｃの前後で、出力特性が変化してしまう。すなわち、測定したい現象がカットオフ周波数ｆｃより低い周波数であるときは、（１）式による電流Ｉ_Ｒに比例した電圧Ｖｏｕｔが得られるが、カットオフ周波数ｆｃより高い周波数であるときは、電荷ΔＱに比例した電圧Ｖｏｕｔが得られる。

また、図２の従来の電流―電圧変換回路では、圧電センサまたはセンサケーブルが故障（断線、短絡）しても、電荷ΔＱが発生していないときは、出力Ｖｏｕｔはゼロのままで変わらず、その故障を検知することはできない。なお、断線とは、電流―電圧変換回路への入力がオープンになる状態を意味し、短絡とは電流―電圧変換回路への入力がグランドに落ちてしまう状態を意味する。したがって、図２の回路では、実際に測定を開始して、電荷ΔＱが測定できないことを確認してはじめて故障を知ることとなる。したがって、回路動作の信頼性を得るために、電荷ΔＱを測定する前に故障を確認したい場合、この回路に影響を与えないような故障検知回路を別途用意する必要がある。

図１の本発明の回路において、領域２０は圧電センサの等価回路であり、センサ内部の静電容量Ｃ１と、今回新たに追加する抵抗Ｒ２を含む。ΔＱは圧電センサで発生する電荷量を意味する。なお、図１では、抵抗Ｒ２は圧電センサの一部として描かれているが、圧電センサの出力に接続する外部の抵抗Ｒ２として構成してもよい。

領域２１は圧電センサのセンサケーブルの等価回路であり、絶縁抵抗ｒと静電容量Ｃ２を含む。領域２２は電流―電圧変換回路であり、オペアンプ２４と、オペアンプ２４の非反転入力（＋）に入力される基準電圧Ｖｉｎと、オペアンプ２４の反転入力（−）と出力Ｖｏｕｔの間を結ぶフィードバックライン２５に設けられた抵抗Ｒ１を含む。オペアンプ２４の反転入力（−）は、圧電センサのセンサケーブルに接続し、その出力Ｖｏｕｔは時間積分器２３に入力される。

図１の本発明の回路は、オペアンプ２４によって、圧電センサで発生した電荷ΔＱを、抵抗Ｒ１に流れる電流で打ち消すように発生する電圧Ｖｏｕｔを出力する回路である。圧電センサの抵抗Ｒ２を流れる電流は、その抵抗値と基準電圧Ｖｉｎによって固定されるので、圧電センサで発生した電荷ΔＱは圧電式センサの抵抗Ｒ２を通じて流れず、抵抗Ｒ１をフィードバックする電流によってすべて打ち消される。圧電センサおよびセンサケーブルの静電容量Ｃ１、Ｃ２に無関係に、次式により、電流Ｉ_ｄ（＝ｄ（ΔＱ）／ｄｔ）に比例した電圧Ｖｏｕｔが得られる。

Ｖｏｕｔ＝（Ｉ_ｄ＋Ｖｉｎ／Ｒ２）×Ｒ１＋Ｖｉｎ（２）

時間積分器２３からはＶｏｕｔを時間積分した測定データが得られる。図３は、時間積分器２３の出力例を示す図である。この時間積分量は、圧電センサで発生した電荷量ΔＱに比例する。

図１の回路における利点は、センサケーブルの絶縁抵抗ｒおよびオペアンプの入力インピーダンスと比較して、圧電センサの抵抗Ｒ２を十分小さく設定することが可能で、その結果、センサケーブルの絶縁抵抗ｒの変化およびオペアンプ２４の反転入力（−）に流れ込む微小電流の変化による電圧Ｖｏｕｔへの影響を十分無視できる（小さくできる）ことである。

また、図１の回路では、電荷ΔＱが発生していないときの出力Ｖｏｕｔのゼロ点（ベース電位）をグランドからオフセットさせることで、圧電センサまたはセンサケーブルの断線または短絡を、電圧Ｖｏｕｔが基準電圧Ｖｉｎになるまたは飽和することで検知可能である。なお、断線とは電流―電圧変換回路への入力がオープンになる状態を意味し、短絡とは電流―電圧変換回路への入力がグランドに落ちてしまう状態を意味する。したがって、回路動作の信頼性を得るために、電圧Ｖｏｕｔを常にモニタすることで、電荷ΔＱを測定する前からでも電圧Ｖｏｕｔから故障（断線、短絡）の有無を検知することが可能である。この故障の検知についてはさらに後述する。

さらに、圧電センサは大きな温度特性を持つことが知られているが、圧電センサの内部抵抗Ｒ２を測温抵抗体に置き換え、Ｖｏｕｔのゼロ点のオフセット量（オフセット電位）の変化を検知することで、圧電センサの内部温度を測定し、測定データの温度補償に利用することができる。

図４は、本発明の他の実施例として、電荷変化型センサの出力回路の構成を示す図である。図４の構成は、上述した故障（断線、短絡）の検知と圧電センサの内部温度の測定もおこなうことができる構成例である。

図４において、領域３０は圧電センサの等価回路である。Ｃ１はセンサ内部の静電容量であり、ΔＱは圧電センサで発生する電荷量を意味する。抵抗Ｒ４は測温抵抗体であり、例えばサーミスタや白金（Ｐｔ）抵抗体等である。抵抗Ｒ４は圧電センサの少なくとも近傍に配置される。

領域３１は電流―電圧変換回路であり、図１の構成と同様に、オペアンプ３２と、オペアンプ３２の非反転入力（＋）に入力される基準電圧Ｖｉｎと、オペアンプ３２の反転入力（−）と出力Ｖｏｕｔの間を結ぶフィードバックライン３３に設けられた抵抗Ｒ１を含む。オペアンプ３２の反転入力（−）は、圧電センサのセンサケーブルに接続し、さらに出力Ｖｏｕｔと共に差動アンプ３４に入力される。差動アンプ３４は、基準電圧Ｖｉｎの影響を除去した出力を得るために設けられる。差動アンプ３４の出力Ｖｒは、ローパスフィルタ３５と平滑回路３６に接続される。ローパスフィルタ３５は、出力信号Ｖｒの高周波ノイズの除去、オフセット補正、および増幅をおこなって、Ｖｒ１を出力する。平滑回路３６は、出力信号Ｖｒの平滑化（直流電圧化）および増幅をおこなって、圧電センサの検出信号成分を除去したＤＣ電圧Ｖｒ２を出力する。

図５と図６は、図４の回路の出力例を示す図である。図５では、差動アンプ３４の出力Ｖｒとローパスフィルタ３５の出力Ｖｒ１が示されている。図５の出力ＶｒとＶｒ１は、測温抵抗体Ｒ４による温度検知および圧電センサまたはセンサケーブルの故障（断線、短絡）が発生していない状態での圧電センサによる検出信号を反映した出力である。出力ＶｒとＶｒ１は、初期のオフセットレベル（図５では０Ｖ）上で変化している。出力Ｖｒ１では、出力Ｖｒの高周波ノイズ成分が除去された波形となっている。

図６では、差動アンプ３４の出力Ｖｒと、ローパスフィルタ３５の出力Ｖｒ１と、平滑回路３６の出力Ｖｒ２が示されている。図６では、測温抵抗体Ｒ４による温度検知がおこなわれ、出力ＶｒとＶｒ１のオフセットレベルがΔＶだけ上昇し、そのΔＶに相当する平滑回路３６のＤＣ出力Ｖｒ２が得られている。なお、ピエゾケーブルの故障（断線）が発生する場合は、平滑回路３６のＤＣ出力Ｖｒ２は０Ｖに張り付いたままになる。一方、圧電センサまたはセンサケーブルの故障（短絡）が発生した場合は、レンジ上限で飽和した出力に張り付いたままになる。

図６の例から明らかなように、図４の回路において、出力信号Ｖｒ、Ｖｒ１またはＶｒ２で得られる電圧波形から、圧電センサから発生する電流（検出信号）、温度信号（測温抵抗体Ｒ４による温度変化）あるいは圧電センサまたはセンサケーブルの故障（断線または短絡）信号を得ることができる。さらに、圧電センサから発生する電流に応じた検出信号Ｖｒ１を時間積分器などで時間積分することにより、圧電センサで発生した電荷ΔＱに比例した信号を得ることができる。

上述した実施形態は一例でありこれに限定されるものではない。本発明は、既に述べたように、圧電センサのみならず、静電容量型の加速度センサ、荷重センサ等の任意の電荷変化型のセンサに対して発振回路および検波回路不要で適用可能であり、また、ピエゾ抵抗型の加速度センサ、荷重センサ等の任意の電流変化型のセンサに対して適用可能である。

Claims

電荷変化型センサの出力回路であって、
電荷変化型センサの出力にセンサケーブルを介して接続する反転入力と、基準電位に接続する非反転入力と、前記反転入力に第１抵抗を介して接続する出力とを有するオペアンプと、
前記電荷変化型センサの出力とグランドとの間に接続される第２抵抗と、
を備え、
前記オペアンプは、前記電荷変化型センサが保有する電荷量に応じて変化する検出信号を出力すると共に、前記電荷変化型センサまたは前記センサケーブルの断線または短絡の際にそれぞれ所定のオフセット信号を出力し、
前記出力回路は、さらに、前記オペアンプの出力に接続し、前記電荷変化型センサまたは前記センサケーブルの断線または短絡の有無を判定する判定回路を備え、
当該判定回路は、
前記オペアンプの出力を受けて前記検出信号を出力するローパスフィルタと、
前記オペアンプの出力を受けて前記オフセット信号を出力する平滑回路とを有する、
電荷変化型センサの出力回路。
前記判定回路は、前記オペアンプの反転入力と出力とを入力とする差動アンプを有し、
前記ローパスフィルタと前記平滑回路は当該差動アンプの出力に接続する、請求項１に記載の電荷変化型センサの出力回路。
電荷変化型センサの出力回路であって、
電荷変化型センサの出力にセンサケーブルを介して接続する反転入力と、基準電位に接続する非反転入力と、前記反転入力に第１抵抗を介して接続する出力とを有するオペアンプと、
前記電荷変化型センサの出力とグランドとの間に接続される第２抵抗と、
を備え、
前記オペアンプは、前記電荷変化型センサが保有する電荷量に応じて変化する検出信号を出力すると共に、前記電荷変化型センサまたは前記センサケーブルの断線または短絡の際にそれぞれ所定のオフセット信号を出力し、
前記第２抵抗は、測温抵抗体からなり、前記オフセット信号から前記電荷変化型センサ近傍の温度を検出する、
電荷変化型センサの出力回路。
前記基準電位は０Ｖより大きい所定電位であり、前記オペアンプのオフセット信号は、前記電荷変化型センサまたは前記センサケーブルの断線または短絡に応じて前記所定電位または前記オペアンプの飽和出力電位になる、請求項１ないし３のいずれかに記載の電荷変化型センサの出力回路。