JP5634076B2 - センサ電圧処理回路 - Google Patents
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Description
燃焼圧を検知するためには、検知部の温度に依存する電圧に燃焼圧に依存する電圧が重畳しているセンサ電圧から、検知部の温度に依存する電圧を除去して燃焼圧に依存する信号電圧を取り出し、それを増幅する必要がある。
上記は一例であり、低速度で変動するとともに電源の電圧の変動にも追従して変動する直流電圧に高速度で変動する信号電圧が重畳しているセンサ電圧から、信号電圧を取り出して増幅する必要が多くの場合に存在する。
特許文献1には、センサ電圧を入力してボトム電圧を保存するボトムホールド回路と、センサ電圧とボトムホールド回路に保存されている保存電圧を入力して両者の電圧差を増幅した電圧を出力するオペアンプを備えているセンサ電圧の処理回路が示されている。
図2を参照して、特許文献1のセンサ電圧処理回路の処理動作を説明する。図2(a)の細い実線はセンサ電圧V1を示しており、太い実線はゆるやかに変化する直流電圧V2を示しており、破線は保存電圧Vkを示している。また、図2(b)の実線は信号電圧V3を示している。
そこで、特許文献1のボトムホールド回路では、図2(a)の破線に示すように、保存電圧Vkが低速度で上昇するようにする。具体的には電圧を保存しているコンデンサを低速度で放電させる回路を設けることによって、保存電圧Vkが低速度で上昇するようにする。保存電圧Vkの上昇速度は、低速度で変化する直流電圧の変化速度よりもわずかに速い関係に設定されている。
第1コンデンサの一方の電極は、接地されている。第2コンデンサは、一方の電極がセンサに給電する電源電圧に接続されている。第1コンデンサと第2コンデンサの他方の電極同士は接続されており、その配線に電圧が保存される。第1コンデンサと第2コンデンサの他方の電極同士を接続する配線は、電圧保存配線と言うことができる。電圧保存配線に保存されている電圧を保存電圧とし、センサを使用した場合に想定される保存電圧の変動範囲のほぼ中間値を基準保存電圧とする。この場合、第1コンデンサと第2コンデンサとの容量比が、基準保存電圧と、電源の定格電圧から基準保存電圧を減算した電圧との比となるように設定されている。第1オペアンプの一方の入力端子は、電圧保存配線に接続されている。第1オペアンプの他方の入力端子は、センサ電圧の出力線に接続されている。第1オペアンプは、電圧保存配線に保存されている保存電圧と、センサ電圧の出力線に出力されている電圧の大小関係に依存して変化する電圧を出力端子に出力する。たとえばセンサ電圧が保存電圧よりも高い間はハイ電圧を出力し、センサ電圧が保存電圧に等しくなるとロー電圧を出力する。逆流防止素子は、電圧保存配線と第1オペアンプの出力端子の間に接続されており、一方向に向かう電流の流れのみを許容する。逆流禁止方向は、電圧保存配線に保存する電圧がボトム値かピーク値かによって切り替えられる。第2オペアンプの一方の入力端子は、電圧保存配線に接続されている。第2オペアンプの他方の入力端子は、センサ電圧の出力線に接続されている。第2オペアンプは、電圧保存配線に保存されている保存電圧とセンサ電圧の電圧差を増幅した電圧を出力端子に出力する。
第2オペアンプは、電源の電圧変動にも追従して変動する保存電圧とセンサ電圧との電圧差を増幅した電圧を出力する。このようにして、本回路によると、電源の電圧変動にも追従して変動する保存電圧を用いて信号電圧を取り出すことから、電源の電圧が変動した場合であっても真の信号電圧を増幅した電圧を出力することができる。
上記構成によると、センサ電圧のボトム値を保存することができる。電源と接地点の間に第1コンデンサと第2コンデンサが直列に接続され、第1コンデンサと第2コンデンサとの容量比が、基準保存電圧と、電源の定格電圧から基準保存電圧を減算した電圧との比になるように設定されているために、電圧保存配線に保存されている保存電圧は、電源電圧の変動にも追従して変動する。
上記構成によると、センサ電圧のピーク値を保存することができる。電源と接地点の間に第1コンデンサと第2コンデンサが直列に接続され、第1コンデンサと第2コンデンサとの容量比が、基準保存電圧と、電源の定格電圧から基準保存電圧を減算した電圧との比となるように設定されているために、電圧保存配線に保存されている保存電圧は、電源電圧の変動にも追従して変動する。
上記構成によれば、センサ電圧に含まれる直流電圧の温度依存性を小さくすることができるため、保存電圧の変動が小さくなる。したがって、保存電圧と基準保存電圧とのずれを小さくすることができるため、信号電圧を増幅した電圧をより適切に出力することができる。
(特徴1)第2オペアンプから出力される増幅電圧が閾値電圧以上であるか否かによって信号電圧が示す物理量が基準値以上であるか否かを判定する。その閾値電圧を電源の電圧に応じて変動させる。これにより、電源の電圧が変動した場合であっても、監視対象の物理量が基準値以上であるか否かを適切に判定することができる。
図1に示すように、燃焼圧計測装置10は、燃焼圧センサ20と、燃焼圧センサ20が出力するセンサ電圧V1を処理するセンサ電圧処理回路30とを備えている。
センサ電圧V1は、ピエゾ抵抗素子23の抵抗値と、通電電流値によって決まり、次の特性を備えている。
(1)ピエゾ抵抗素子23の環境温度に依存して変化する。
(2)ピエゾ抵抗素子23に作用する圧力に依存して変化する。
(3)ピエゾ抵抗素子23の環境温度は低速度に変化することから、前記(1)の電圧V2は低速度に変化する。
(4)ピエゾ抵抗素子23に作用する圧力は高速度に変化することから、前記(2)の電圧V3は高速度に変化する。
(5)ピエゾ抵抗素子23の通電量は電源の電圧に比例する。
以上のことから、センサ電圧V1は、低速度で変動するとともに電源の電圧変動にも追従して変動する直流電圧V2に、高速度で変動するとともに電源の電圧変動にも追従して変動する信号電圧V3が重畳している電圧であるということができる。
電源の電圧は、通常は定格電圧に維持されているが、上記したように一時的に増減することがある。例えば、電源の電圧がα%上昇した場合は、定電流源22は、ピエゾ抵抗素子23に通電する電流Iをα%上昇させる。したがって、燃焼室内の温度や圧力が変化しなくても、温度に依存する直流電圧V2がα%上昇し、燃焼圧に依存する信号電圧V3がα%上昇し、燃焼圧センサ20が出力するセンサ電圧V1もα%上昇する。
各種の電圧が電源の電圧に比例して変動することをレシオ動作という。センサ類には、レシオ動作することが求められている。本実施例の処理回路は、レシオ動作するセンサ電圧V1から、低速度に変化する直流電圧V2を減じて、レシオ動作する信号電圧V3を取り出す。従来の技術のように、保存しているボトム電圧またはピーク電圧が電源の電圧の変化に抗して一定に維持されると、保存しておいた電圧を利用して信号電圧V3を取り出しても、取り出された信号電圧V3はレシオ動作しない。
ボトムホールド回路31では、センサ電圧V1が保存電圧Vkを上回っている場合(V1>Vk)と、センサ電圧V1が保存電圧Vkに等しい場合(V1=Vk)とで、第1オペアンプ38の出力電圧Voとダイオード39の通電状態が異なる。
本実施例では、以下に説明するように、電源の電圧が上昇すればそれに追従して保存電圧Vkも上昇する。そのために、電源の電圧の上昇に起因してセンサ電圧V1のボトム値が上昇する場合でも、センサ電圧V1がボトムとなったときに、ボトムホールド回路31の保存電圧を新たなボトム電圧に更新することができる。
なお、電源の電圧が低下した場合には、センサ電圧V1も低くなる。ボトムホールド回路31の電圧保存配線37に保存されている保存電圧Vkも同じ比率で低下する。電源の電圧が上昇しても下降しても、保存電圧Vkはほぼレシオ動作する。
実施例1のセンサ電圧処理回路30は、ボトムホールド回路31を有していたが、本実施例のセンサ電圧処理回路50は、センサ電圧V1のピーク値を保存するピークホールド回路51を有しており、この点が上記実施例1と異なっている。また、第2オペアンプ60は、(ピーク電圧−センサ電圧)を増幅することで、信号電圧を増幅した電圧を得る。得られた増幅電圧は信号電圧の大小関係を反転したものとなるが、信号電圧に1:1に関係している。増幅電圧を処理することで、信号電圧に依存した処理を実施することが可能となっている。
電圧保存配線57は、保存電圧Vkの出力線56を介して第2オペアンプ60の非反転入力端子に接続されている。燃焼圧センサ20の出力線25から分岐した他方は、第2オペアンプ60の反転入力端子に接続されている。第2オペアンプ60は、非反転入力端子に入力された燃焼圧センサ20のピークホールド回路51の保存電圧Vkとセンサ電圧V1との差を所定の増幅度で増幅し、その増幅結果を端子61に信号電圧V3に対応する電圧として出力する。端子61の出力電圧V3は、燃焼室内温度の影響を受けず、燃焼室内の圧力に応じて増減する。なお、第2オペアンプ60には、ベース電圧Vbbの設定用端子62が設けられている。
ピークホールド回路51では、センサ電圧V1が保存電圧Vkを下回っている場合(V1<Vk)と、センサ電圧V1が保存電圧Vkに等しい場合(V1=Vk)とで、第1オペアンプ58の出力電圧Voとダイオード39の通電状態が異なる。
本実施例では、以下に説明するように、電源の電圧が低下すればそれに追従して保存電圧Vkも低下する。そのために、電源の電圧低下に起因してセンサ電圧V1のピーク値が低下する場合でも、センサ電圧V1がピークとなったときに、ピークホールド回路51の保存電圧を新たなピーク電圧に更新することができる。
なお、電源の電圧が上昇した場合には、センサ電圧V1も高くなる。ピークホールド回路51の電圧保存配線57に保存されている保存電圧Vkもほぼ同じ比率で上昇する。電源の電圧が上昇しても下降しても、保存電圧Vkはほぼレシオ動作する。
なお、本実施例の変形例として、図示は省略するが、第2オペアンプ60の反転入力端子と非反転入力端子とを入れ変えてもよい。
図4に示すように、燃焼圧計測装置12は、燃焼圧センサ20と、燃焼圧センサ20が出力するセンサ電圧V1を処理するセンサ電圧処理回路70とを備えている。本実施例のセンサ電圧処理回路70は、ボトムホールド回路71と第2オペアンプ90とを備えている。本実施例のボトムホールド回路71の構成は、実施例1のボトムホールド回路31と異なる。燃焼圧センサ20及び燃焼圧センサ20に電力を供給するための定電流源22は実施例1と同じである。
本実施例では、以下に説明するように、電源の電圧が上昇すればそれに追従して保存電圧Vkも上昇する。そのために、電源の電圧の上昇に起因してセンサ電圧V1のボトム値が上昇する場合でも、センサ電圧V1がピークとなったときに、ボトムホールド回路71の保存電圧を新たなボトム電圧に更新することができる。
なお、電源の電圧が低下した場合には、センサ電圧V1も低くなる。ボトムホールド回路71の電圧保存配線77に保存されている保存電圧Vkもほぼ同じ比率で低下する。電源の電圧が上昇しても下降しても、保存電圧Vkはほぼレシオ動作する。
本実施例では、図5に示すように、センサ電圧V1に含まれる直流電圧V2が、ピエゾ抵抗素子23の両端間にかかる温度依存性の電圧Vxとダイオード27の両端間にかかる温度依存性の電圧Vyとを加算した値となる。そのため、直流電圧V2の温度に対する変動幅が、ピエゾ抵抗素子23の温度依存性の電圧Vxの温度に対する変動幅よりも小さくなる。したがって、燃焼圧センサ20がダイオード27を有していることによって、実施例1と比較して、温度変化に伴う直流電圧V2の変動を小さくすることができる。そのため、保存電圧Vkの変動が小さくなることから、保存電圧Vkと基準保存電圧とのずれを小さくすることができる。これにより、電源の電圧が変動した場合には、第1コンデンサ32及び第2コンデンサがより高精度にレシオ動作し、保存電圧Vkもより高精度にレシオ動作させることができる。その結果、センサ電圧処理回路30では、信号電圧V3をより適切に取り出すことができる。
なお、このような燃焼圧センサ26を実施例2及び実施例3の燃焼圧センサ20の代わりに用いるようにしてもよい。
(実施例4の変形例)
また、ピエゾ抵抗素子23と逆の温度特性を有する逆特性素子として、マンガン・コバルト・ニッケルなどの金属酸化物からなる抵抗などを用いるようにしてもよい。
(その他の実施例)
また、上記各実施例の構成に加えて保存電圧Vkを取り出す出力端子を設け、直流電圧V2が反映された保存電圧Vkを取り出すことにようにしてもよい。これにより、ピエゾ抵抗素子の温度を検出することができる。
上記各実施例では、センサ電圧処理回路を内燃機関の燃焼室内の圧力を検出する燃焼圧センサの処理回路に適用しているが、この他のセンサの出力値を処理する回路に適用してもよい。
また、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は、複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
20,26,28:燃焼圧センサ
22:定電流源
23:ピエゾ抵抗素子
25:出力線
30,50,70:センサ電圧処理回路
31,71:ボトムホールド回路
32,52,72:第1コンデンサ
33,53,73:第2コンデンサ
34,54,74:定電圧源
35,55,75:抵抗
37,57,77:電圧保存配線
38,58,78:第1オペアンプ
39,59:ダイオード
40,60,90:第2オペアンプ
41,61,91:端子
51:ピークホールド回路
79:MOSトランジスタ
80:第3オペアンプ
Claims (5)
- 低速度で変動するとともに電源の電圧変動にも追従して変動する直流電圧に、高速度で変動する信号電圧が重畳しているセンサ電圧から前記信号電圧を取り出して増幅する回路であって、
一方の電極が接地されている第1コンデンサと、
一方の電極がセンサに給電する電源に接続されている第2コンデンサと、
前記第1コンデンサと前記第2コンデンサの他方の電極同士を接続している電圧保存配線と、
第1コンデンサと第2コンデンサのいずれかの一方に並列に接続されている抵抗と、
一方の入力端子が前記電圧保存配線に接続されているとともに、他方の入力端子が前記センサ電圧の出力線に接続されており、前記電圧保存配線に保存されている保存電圧とセンサ電圧との大小関係に依存して変化する電圧を出力端子に出力する第1オペアンプと、
一端が前記電圧保存配線に接続されているとともに、他端が前記第1オペアンプの出力端子に接続されており、一方向に向かう電流のみを許容する逆流防止素子と、
一方の入力端子が前記センサ電圧の出力線に接続されているとともに、他方の入力端子が前記電圧保存配線に接続されており、前記センサ電圧と前記保存電圧との電圧差を増幅した電圧を出力端子に出力する第2オペアンプとを備えており、
前記第1コンデンサと前記第2コンデンサとの容量比が、保存電圧の想定される変動範囲のほぼ中間値である基準保存電圧と、電源の定格電圧から基準保存電圧を減算した電圧との比となるように設定されており、
前記抵抗の抵抗値が、「抵抗を介して放電することに起因する電圧保存配線の電圧の変化速度<電源電圧の変動に起因するセンサ電圧の変化速度」の関係を実現する値に設定されていることを特徴とするセンサ電圧処理回路。 - 前記第1オペアンプは、前記センサ電圧が前記保存電圧よりも高い時には出力端子に高電圧を出力し、前記センサ電圧が前記保存電圧以下の時には出力端子に低電圧を出力し、
前記逆流防止素子は、前記電圧保存配線から前記第1オペアンプの出力端子に向かう電流を許容する向きに接続されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサ電圧処理回路。 - 前記第1オペアンプは、前記センサ電圧が前記保存電圧以上の時には出力端子に高電圧を出力し、前記センサ電圧が前記保存電圧未満の時には出力端子に低電圧を出力し、
前記逆流防止素子は、前記第1オペアンプの出力端子から前記電圧保存配線に向かう電流を許容する向きに接続されていることを特徴とする請求項1に記載のセンサ電圧処理回路。 - 前記直流電圧は、前記センサの温度に追従して変動するものであり、
前記センサでは、信号電圧を含む電圧を出力するためのセンサ素子と、そのセンサ素子とは逆向きの温度特性を有する逆特性素子とが直列に接続されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のセンサ電圧処理回路。 - 前記逆特性素子は、ダイオードであることを特徴とする請求項4に記載のセンサ電圧処理回路。
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