JP6496080B2

JP6496080B2 - 圧電センサ

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Publication number: JP6496080B2
Application number: JP2018507342A
Authority: JP
Inventors: 里克中村; 正徳四方山
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Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2016-03-24
Filing date: 2017-03-21
Publication date: 2019-04-03
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Description

本発明は、圧電素子によって物理量を測定し、測定結果の電流信号を積分し、増幅して出力する圧電センサに関するものである。

物理的な変形量に応じて電荷が発生する圧電素子を使用した圧電センサは、感度に優れ、また高温環境下でも精度が落ちないため、エンジンの燃焼圧を測定するセンサとして多く用いられている。

図３は、従来の圧電センサの構成の一例を示す図である。図３において３０１は圧電素子を、３０２は直流遮断容量を、３０３は放電抵抗を、３０４は充電容量を、３０５は積分用演算アンプを、３１２はフィードバック端子を、３１３は信号出力端子を、３１５は信号入力端子を、３０６は基準電圧源を、３０７は増幅抵抗ａを、３０８は増幅抵抗ｂを、３０９は増幅用演算アンプを、３１０は集積回路を、それぞれ示している。

圧電素子３０１は、その表面に一対の電極を有しており、圧電素子３０１に加わった応力に応じてその電極から電荷信号を出力する。圧電素子３０１は、前記電極から配線を引き回して回路ブロックに入力する構成は非常に複雑になるため、図３に示すように、電極の一方を接地して、他方の電極から信号を取る構成が一般に用いられている。他方の電極は直流遮断容量３０２を介して積分用演算アンプ３０５の負側入力端子に接続されている。

積分用演算アンプ３０５は、負側入力端子と出力端子との間に充電容量３０４と放電抵抗３０３が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源３０６が接続されており、積分用演算アンプ３０５と充電容量３０４、放電抵抗３０３によって積分回路が構成されている。

圧電素子３０１から出力された交流電荷信号は、直流成分をカットするための直流遮断容量３０２を経て、積分用演算アンプ３０５の入出力間に設けられた充電容量３０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。ここで、積分用演算アンプ３０５に高入力インピーダンスのものを使用することで、圧電素子３０１の電荷信号が微小な場合でも正確に検知することが可能となる。放電抵抗３０３は、交流電荷信号の正負バランスが均等でない場合に、充電容量３０４が飽和してしまうことを防止するために設けられており、充電容量３０４と放電抵抗３０３により決まる充放電時定数は、検知信号の周期に比べて十分に長い必要がある。

基準電圧源３０６は、積分回路および増幅回路に所定のバイアス電圧を与えるためのものであり、トランジスタのバンドギャップ電圧を利用した電圧レギュレータ回路等が一般に使用される。

積分用演算アンプ３０５の後段には、積分用演算アンプ３０５の出力信号Ｖｏ１を増幅し、圧電センサとしての出力信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路が設けられている。増幅回路は、増幅用演算アンプ３０９、増幅抵抗ａ３０７、および増幅抵抗ｂ３０８によって構成され、増幅用演算アンプ３０９の負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ３０８が接続され、正側入力端子には増幅抵抗ａ３０７を介して基準電圧源３０６が接続された構成となっている。

回路ブロックは、ディスクリート部品で構成することも可能であるが、スペース的にも、コスト的にも単一の集積回路に作り込んだ方が有利である。図３に示す従来例においては、積分用演算アンプ３０５、増幅用演算アンプ３０９、基準電圧源３０６、増幅抵抗ａ３０７および増幅抵抗ｂ３０８が集積回路化され集積回路３１０として構成されている。回路ブロックを単一集積回路化する場合でも、充電容量３０４と放電抵抗３０３は集積回路３１０の外部に設けられることが一般的である。これは通常、充電容量３０４と放電抵抗３０３の値が大きいため、集積回路３１０の内部に作り込むことが難しいためである。集積回路３１０とその外部との接続箇所には入出力端子が設けられ、積分用演算アンプ３０５と圧電素子３０１の接続箇所は信号入力端子３１５、積分用演算アンプ３０５の出力と放電抵抗３０３、充電容量３０４との接続箇所はフィードバック端子３１２、増幅用演算アンプ３０９の出力と外部との接続箇所は信号出力端子３１３が備えられている。

図５は、従来の圧電センサの別の例を示す図である。圧電センサは、圧電素子５０１と、積分用演算アンプ５０５、放電抵抗５０３、充電容量５０４とで構成された積分回路、基準電圧源５０６、増幅用演算アンプ５０９を備えている。図３で示す従来例においては、充電容量３０４と放電抵抗３０３は積分用演算アンプ３０５の入出力間に設けられているが、図５に示す圧電センサでは、積分用演算アンプ５０５の正側入力端子と基準電圧源５０６との間に充電容量５０４と放電抵抗５０３を設けた構成である。また、図３において増幅回路は一段構成の正転増幅回路であるが、この例では、増幅用演算アンプ５０９の負側入力端子に積分用演算アンプ５０５の出力信号が増幅抵抗ａ５０７を介して入力され、負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ５０８を接続し、正側入力端子は基準電圧源５０６と接続された一段構成の反転増幅回路で構成されている。増幅回路は多段構成とすることも可能である。

特開２００９−１１５４８４号公報

圧電センサの出力信号Ｖｏｕｔの製品ごとの測定感度のバラつきは、できるだけ小さく抑える必要がある。しかし圧電素子から発生する電荷信号の大きさは、圧電素子結晶の生成過程のわずかな違いや加工精度によって、発生する電荷に比較的大きな差異が発生し、圧電センサの出力信号Ｖｏｕｔに要求される精度を満たすことは難しい。

このため、増幅回路に増幅率の調整機構を設けて、センサ組立て工程において増幅率の調整を行い、出力信号Ｖｏｕｔの精度を確保することが、一般に行われている。

図４は増幅率調整のためのラダー抵抗の一例であり、抵抗Ｒｆと直列接続された４段の抵抗回路（Ｒ１〜Ｒ４）から構成されている。各段における抵抗回路のＰ１からＰ４の配線を切断することによって、最小となるＲｆから最大となるＲｆ＋Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４の１６通りの抵抗値に設定することができる。このラダー抵抗を、増幅抵抗ａ、または増幅抵抗ｂ、もしくはその両方に使用し、Ｐ１からＰ４の配線を、レーザーやエンドミルで切断することにより、増幅率の調整を行うことができる。

また増幅抵抗ａ、または増幅抵抗ｂ、もしくはその両方に、市販のレーザートリマブル抵抗を使用して、レーザーで抵抗値を調節する方法もある。

しかしこれらの調整方法は、センサ完成状態で、増幅率の調整ができないという問題点がある。図６は、圧電センサの一例である燃焼圧センサの構造を示した分解斜視図である。フロントハウジング６０３の先端部には、燃焼圧力を圧電素子６０４に伝えるためのダイヤフラムヘッド６０１が設けられ、また中程には燃焼圧センサを、エンジンに固定するための固定ネジ６０２が設けられている。圧電素子６０４と導線６０５、回路基板６０６、回路ケース６０７は、フロントハウジング６０３と、リアハウジング６０９中に収められ、フロントハウジング６０３とリアハウジング６０９が溶接され、燃焼圧センサとして構成されている。

増幅率の調整を上記のように基板配線切断やレーザートリマブル抵抗で行う場合、回路基板６０６は外部に露出している必要があり、リアハウジング６０９を取り付けない半完成状態にて増幅率調整を行い、その後リアハウジング６０９の取り付け、溶接を行う。

このような製造手順は、工程が複雑になり、製造コストの上昇につながる。また完成品とは異なる状態で増幅率調整を行うため、完成品の状態における増幅率が調整時の増幅率と異なる場合があり、所望の増幅率に正しく設定されないという問題も発生する。

また増幅率の調整は、センサに実際に圧力等を加えて出力をモニタしながら行うのが一般的であるが、上記方法の場合、切断したパターンや、書込んだトリマブル抵抗は元に戻せないため、高精度の調整が難しいという問題もある。

本発明は、以上の課題を解決するために成されたもので、製品完成状態において、短時間で高精度に増幅率等の調整を行うことが可能な圧電センサを提供することが目的である。

上記課題を解決するため、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリを内部に収容する筐体と、一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子とを備えている。
この圧電センサにおいて、前記増幅回路は、増幅用演算アンプと可変抵抗とを有しており、前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶することを特徴とすることができる。
また、前記基準電圧源は、前記オフセット電圧を設定するための他の可変抵抗を有しており、前記メモリは、前記オフセット電圧を設定するための前記他の可変抵抗の情報をさらに記憶することを特徴とすることができる。
また、前記筐体の内部に収容され、前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路をさらに備え、前記クリップ回路は、クリップ電圧を設定するための別の可変抵抗を有しており、前記メモリは、前記クリップ電圧を設定するための前記別の可変抵抗の情報をさらに記憶することを特徴とすることができる。
また、前記書込み端子が、前記筐体の内部に収容された前記積分回路および前記増幅回路と当該筐体の外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とすることができる。

また、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記基準電圧源の前記オフセット電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリを内部に収容する筐体と、一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子とを備えている。
この圧電センサにおいて、前記基準電圧源は、前記オフセット電圧を、可変抵抗を用いて規定しており、前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶することを特徴とすることができる。

また、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路と、前記クリップ回路のクリップ電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源、前記クリップ回路および前記メモリを内部に収容する筐体と、一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子とを備えている。
この圧電センサにおいて、前記クリップ回路は、前記クリップ電圧を、可変抵抗を用いて規定しており、前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶することを特徴とすることができる。

本発明によれば、製品完成状態において、短時間で、高精度の増幅率調整が行える圧電センサを提供することが可能である。

本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例１）メモリ内容によって抵抗値を変化させる構成例を示す図従来の燃焼圧センサの構成例を示す図従来の増幅率調整用抵抗の例を示す図従来の燃焼圧センサの他の構成例を示す図燃焼圧センサの機械的構造例を示す分解斜視図（ａ）、（ｂ）は、本発明の圧電センサと外部との接続端子部を示す図書込み端子をユーザー端子と兼用する場合の構成例を示す図本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例２）基準電圧を可変にする構成例を示す図（ａ）、（ｂ）は、クリップ機能を持った燃焼圧センサを説明するための図本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例３）

本発明の圧電センサについて、その具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施例を示す図である。図３に示す従来例と同一の構成については一部説明を省略して説明する。図１において１０１は圧電素子を、１０２は直流遮断容量を、１０３は放電抵抗を、１０４は充電容量を、１０５は積分用演算アンプを、１１２はフィードバック端子を、１１３は信号出力端子を、１１５は信号入力端子を、１０６は基準電圧源を、１０７は増幅抵抗ａを、１０８は増幅抵抗ｂを、１０９は増幅用演算アンプを、１１０は集積回路を、１１１は不揮発性メモリをそれぞれ示している。

圧電素子１０１は、その表面に一対の電極を有しており、圧電素子１０１に加わった応力に応じてその電極から電荷信号を出力する。圧電素子１０１は、電極の一方を接地し、他方の電極は直流遮断容量１０２を介して積分用演算アンプ１０５の負側入力端子に接続されている。

積分用演算アンプ１０５は、負側入力端子と出力端子との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源１０６が接続されており、積分用演算アンプ１０５と充電容量１０４、放電抵抗１０３によって積分回路が構成されている。

圧電素子１０１から出力された交流電荷信号は、直流成分をカットするための直流遮断容量１０２を経て、積分用演算アンプ１０５の入出力間に設けられた充電容量１０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。

基準電圧源１０６は、積分回路および増幅回路に所定のバイアス電圧を与えるためのものである。

積分用演算アンプ１０５の後段には、積分用演算アンプ１０５の出力信号Ｖｏ１を増幅し、圧電センサとしての出力信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路が設けられている。増幅回路は、増幅用演算アンプ１０９、増幅抵抗ａ１０７、および増幅抵抗ｂ１０８によって構成され、増幅用演算アンプ１０９の負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ１０８が接続され、正側入力端子には増幅抵抗ａ１０７を介して基準電圧源１０６が接続された構成となっている。

本実施例においては、積分用演算アンプ１０５、増幅用演算アンプ１０９、基準電圧源１０６、増幅抵抗ａ１０７および増幅抵抗ｂ１０８が集積回路化され集積回路１１０として構成されている。また、集積回路１１０には、増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する不揮発性メモリ１１１を備えている。集積回路１１０とその外部との接続箇所には入出力端子が設けられ、積分用演算アンプ１０５と圧電素子１０１の接続箇所は信号入力端子１１５、積分用演算アンプ１０５の出力と放電抵抗１０３、充電容量１０４との接続箇所はフィードバック端子１１２、増幅用演算アンプ１０９の出力と外部との接続箇所は信号出力端子１１３、さらに不揮発性メモリ１１１に外部から情報を書き込むための書込み端子１１４を備えている。

本実施例の特徴は、集積回路１１０内に増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する不揮発性メモリ１１１を備え、不揮発性メモリ１１１に書込み端子１１４より情報を入力し、その情報により増幅抵抗ａ１０７の値が制御され、検知信号の増幅率を可変することができることである。増幅抵抗ａ１０７は、その値が可変できるようラダー抵抗により構成されている。不揮発性メモリ１１１を集積回路１１０に内蔵することによって、回路ブロックの実装面積をコンパクトに保つことが可能である。

本実施例では、不揮発性メモリ１１１によって値が制御される抵抗は増幅抵抗ａ１０７であるが、増幅抵抗ｂ１０８の値を制御する構成としても良いし、増幅抵抗ａ１０７と増幅抵抗ｂ１０８の両方を制御する構成としても良い。

不揮発性メモリ１１１に格納する情報は、不揮発性メモリ１１１と接続された書込み端子１１４からシリアルデータを入力して書込む。シリアルデータの書込みフォーマットは、既に広く普及しているものが多種類あり、その中から適宜選択して採用すればよい。フォーマットの種類に応じて書込み端子１１４の本数も変わってくるが、一般に端子数が多い書込みフォーマットほど高速書込みが可能である。

不揮発性メモリ１１１によって抵抗値を変化させる構成例を図２に示す。書込み端子１１４から書込まれた情報は、アドレス・データ制御回路２０２によりデコードされ、目的のメモリセル２０３に書込まれる。そしてメモリセル２０３の出力レベルにより、半導体スイッチ２０４が開閉されて、増幅抵抗ａ１０７が所望の抵抗値に変化する。

不揮発性メモリ１１１としては、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭ等の書き換え可能なメモリと、ＯＴＰＲＯＭやヒューズＲＯＭ等の１回書込みのメモリがあるが、どちらのタイプも本発明に使用可能である。

１回書込みのメモリを使用する場合は、書き換え可能な揮発性メモリと不揮発性メモリを組み合わせた構成とすることで、増幅率の正確な調整が可能になる。すなわち、増幅率調整工程では、揮発性メモリに情報を書込みながら、出力電圧をモニタして調整を行い、適正な増幅率が決まった時点で、その値を不揮発性メモリに書込む方法である。

揮発性メモリは、不揮発性メモリと比較して、データ書込み速度が格段に速いので、上記揮発性メモリと不揮発性メモリを組み合わせる構成は、書き換え可能な不揮発性メモリを使用する場合でも有用である。

図７は本発明の圧電センサと外部との接続端子部を示す図であり、図６に示す燃焼圧センサのリアハウジング６０９側の端部に接続端子部を設けた例である。図７（ａ）に示すように、センサの接続端子部はユーザー端子７０３（一般的に供給電源、供給ＧＮＤ、出力信号の３本である場合が多い。）が設けられた外部接続用コネクタ７０２を備えている。この外部接続用コネクタ７０２に、書込み端子１１４も併せて設けることで、センサ完成状態での増幅率データの書込みが可能になる。

すなわち製造時の増幅率調整工程においては、ユーザー端子７０３と書込み端子１１４のすべてに導通が取られた、雌側コネクタを外部接続用コネクタ７０２と結合し、センサに圧力を加えた時の出力信号をユーザー端子７０３からモニタしながら、書込み端子１１４にデータを書込んで、増幅率の調整を行う。

書込み端子１１４が使用されるのは、製造の増幅率調整工程のみであるが、図７（ａ）のコネクタの場合、ユーザーが使用する雌側ソケットにも書込み端子１１４に対応した非導通の結合穴が必要である。このためユーザー雌側ソケットの端子数が増え、コストが上昇してしまうという問題がある。

上記問題を解決するのが、図７（ｂ）に示すコネクタの構造である。書込み端子１１４はユーザー端子７０３の終端より深い位置に設けられており、ユーザーは、ユーザー端子７０３のみに結合する３端子の雌コネクタを、そのまま使用することが可能である。製造の増幅率調整工程で使用される雌コネクタは、書込み端子１１４に導通結合可能な、ユーザー端子結合用より長い結合穴が設けられており、書込み端子１１４と電気的に導通させて、増幅率調整を行うことができる。

なお上記では、センサ側が雄コネクタの場合について説明したが、センサ側が雌コネクタの場合も、全く同様に適用できる。また図７（ａ）および図７（ｂ）では書込み端子は１本のみであるが、これが複数本であっても、同様に適用が可能である。

端子数の問題を解決する別の方法として、書込み端子とユーザー端子を兼用して、専用の書込み端子を不要にする構成が挙げられる。この方法に対応した集積回路の構成例を図８に示す。図８は、本実施例の増幅回路後段の別の例を示した図であり、増幅回路の前段については図１で示した圧電センサと同様の構成であるので省略している。増幅用演算アンプ１０９、増幅抵抗ａ１０７および増幅抵抗ｂ１０８で構成される増幅回路の後段には、増幅用演算アンプ１０９の出力、不揮発性メモリ１１１と切り替え可能に接続され、兼用端子８１３と接続された電子スイッチ８１８が設けられている。また、集積回路１１０には、電源端子８１５を介して外部より常時電源電圧Ｖｄｄが供給され、この常時電源電圧Ｖｄｄと接続される電源モニタ回路８１６とを備えている。電源モニタ回路８１６は、常時電源電圧Ｖｄｄをモニタしており、電源電圧Ｖｄｄが規定値未満の場合は、電子スイッチ８１８を、増幅用演算アンプ１０９の出力と兼用端子８１３とを接続する方向に切り替え、逆に電源電圧Ｖｄｄが規定値以上の場合は、電子スイッチ８１８を、不揮発性メモリ１１１の書込み端子と兼用端子８１３とを接続する方向に切り替える。

上記規定電圧を、ユーザーが使用する電源電圧範囲より高めに、（例えばユーザー電源電圧が４．５Ｖから５．５Ｖの場合、規定電圧を６．０Ｖに、）設定しておくことにより、ユーザーは兼用端子８１３を、常に出力端子として使用することができる。そして製造の増幅率調整工程においては、まず電源電圧Ｖｄｄを規定値以上に上げて、不揮発性メモリ１１１に情報を書込み、次に電源電圧Ｖｄｄを規定値未満のユーザー電源電圧に下げて、出力信号Ｖｏｕｔの値をモニタするという手順で、増幅率の調整を行うことができる。

なお上記では、書込み端子が１本の場合について述べているが、電源端子自身を兼用端子とすることで、書込み端子２本の場合でも同様に適用が可能である。

次に、本発明の圧電センサの別の実施例を説明する。図９は本発明の圧電センサの別の実施例を示す図である。以下、図１に示した実施例１と共通な部分については説明を省略し、本実施例の特徴的な構成について説明する。また、図１に示す実施例１と共通な構成については同一の符号を用い説明する。

本実施例では、集積回路１１０内に増幅抵抗ａ１０７と基準電圧源９０６に接続され、増幅回路の増幅率を決定する情報、および基準電圧源９０６のオフセット電圧を決定する情報を記憶する不揮発性メモリ９１１を備え、不揮発性メモリ９１１に書込まれた情報により、増幅抵抗ａ１０７の値または基準電圧源９０６のオフセット電圧の少なくとも一方が制御されて、検知信号の増幅率を可変することができる。

基準電圧源９０６から出力される基準電圧ＶＲは、出力信号Ｖｏｕｔの直流オフセット電圧を規定する。通常この基準電圧ＶＲは一定であるが、図９に示すように、不揮発性メモリ９１１の内容によって、基準電圧ＶＲの値を可変にできるようにすることで、より付加価値の高い燃焼圧センサを提供することができる。

基準電圧ＶＲを可変にする目的の一つは、ユーザーによって、または機種によって必要とする直流オフセット電圧が異なる場合である。オフセット電圧値があらかじめわかっている場合、その値に合わせた集積回路を用意したり、可変抵抗で基準電圧値を調整したりすることも可能であるが、集積回路１１０に内蔵された不揮発性メモリ９１１によって、オフセット電圧値を合わせ込むことができれば、異なった機種に対しても、同一の集積回路を使用することが可能になり、また手作業での可変抵抗調整といった手間もかからない。

基準電圧ＶＲを可変にするもう一つの目的は、基準電圧の微調整である。一般に基準電圧源は、半導体の製造ばらつきの影響を受けにくいバンドギャップレギュレータで構成されることが多いが、それでも集積回路のロット間やロット内で、数ミリボルトから数十ミリボルトの電圧バラつきが発生する。

ユーザー側でこのようなオフセット電圧ばらつきが許容できない場合は、基準電圧を微調整してばらつきを抑制する必要がある。圧力信号を入力しない場合、出力信号Ｖｏｕｔは、直流オフセット電圧が出力されるので、出力信号Ｖｏｕｔをモニタしながら、不揮発性メモリ９１１にデータを書込むことで、基準電圧の微調整を行うことができる。

基準電圧を可変する回路構成例を図１０に示す。基準電圧源９０６は、バンドギャップレギュレータ１００１と演算アンプ１００２、２つの可変抵抗１００３、１００４から構成されている。バンドギャップレギュレータ１００１の出力は、演算アンプ１００２の正側入力端子と可変抵抗１００３を介してＧＮＤ電位と接続され、演算アンプ１００２の負側入力端子と出力端子との間には可変抵抗１００４が接続されている。可変抵抗１００３、１００４は不揮発性メモリ９１１と接続されている。

バンドギャップレギュレータ１００１から出力された電圧ＶＢは、演算アンプ１００２と２つの可変抵抗１００３および１００４によって、基準電圧ＶＲに変換される。不揮発性メモリ９１１からの信号により、可変抵抗１００３および１００４の抵抗値を制御することで、基準電圧ＶＲの値を調節することが可能になる。

上記した直流オフセット電圧を変える２つの目的、機種ごとの変更、および微調整では、調整の精度および調整幅が大きく異なる。このため両方の調整ができるようにするためには、可変抵抗を２組用意して、粗調と微調が別々に制御できるようにした方が良い。

圧電センサとしての自動車用エンジン燃焼圧センサには、出力電圧クリップ機能が求められる場合がある。これはあらかじめ定められた上限および下限電圧を越える電圧に対して、電圧クリップ制御を働かせ、センサからは必ず電圧下限から上限の範囲内の電圧が出力されるようにする機能であり、センサの故障診断に使われる。もしクリップ電圧範囲外の電圧が、センサ出力を受けるエンジン側ＥＣＵでモニタされた場合は、センサの故障や、ケーブル断線等の異常事態の発生が想定される。

図１１はクリップ機能を持った燃焼圧センサを説明するための図であり、（ａ）はクリップ機能を持った燃焼圧センサの出力電圧の例を示したグラフであり、（ｂ）は電圧クリップ回路の例を示す図である。図１１（ａ）において、実線が出力電圧を示しており、波形がクリップ上限電圧を越えた場合は、電圧が上限電圧にクリップされて出力されることを示している。

図１１（ｂ）は、バイポーラトランジスタを使った電圧クリップ回路の一例を示す回路図で、増幅回路出力に対し図中上段が上限クリップ回路であり、下段が下限クリップ回路を示す。

上限クリップ回路は、電源電圧Ｖｄｄ（不図示）とＧＮＤ間に直列接続された抵抗１１０５、１１０６の接続点にｎｐｎトランジスタのゲートが接続され、ｎｐｎトランジスタのコレクタは電源電圧Ｖｄｄに、エミッタは抵抗を介してＧＮＤと接続されている。ｎｐｎトランジスタのエミッタは、ｐｎｐトランジスタのベースに接続されている。そして、ｐｎｐトランジスタのコレクタはＧＮＤへ、エミッタは増幅回路出力線へ接続されている。抵抗１１０５、１１０６の分圧電圧にｎｐｎトランジスタのベース・エミッタ間電圧を引き、ｐｎｐトランジスタのベース・エミッタ間電圧を加えたものが最大規定電圧とした構成である。

また下側クリップ回路は、電源電圧Ｖｄｄ（不図示）とＧＮＤ間に直列接続された抵抗１１０７、１１０８の接続点にｐｎｐトランジスタのゲートが接続され、ｐｎｐトランジスタのコレクタはＧＮＤへ、エミッタは抵抗を介して電源電圧Ｖｄｄと接続されている。ｐｎｐトランジスタのエミッタは、ｎｐｎトランジスタのベースに接続されている。そして、ｎｐｎトランジスタのコレクタは電源電圧Ｖｄｄへ、エミッタは増幅回路出力線へ接続されている。抵抗１１０７、１１０８の分圧電圧がほぼ最小規定電圧と等しくなる構成となっている。

通常クリップ電圧は一定であるが、実施例２で述べたオフセット電圧と同様、不揮発性メモリの内容によって、可変にできるようにすることで、より付加価値の高い燃焼圧センサを提供することができる。図１２に構成例を示す。

クリップ電圧を可変にする目的は、実施例２で述べたオフセット電圧と同様、機種による設定の違いをカバーすることと、微調整への対応である。図１１（ｂ）に示したクリップ回路の場合、抵抗１１０５、１００６、１１０７、１１０８の値を変えることで、クリップ電圧を変化させることができる。図１２は本発明の圧電センサの別の実施例を示す図である。以下、図１、図９に示した実施例１、実施例２と共通な部分については説明を省略し、本実施例の特徴的な構成について説明する。また、図１に示す実施例１と共通な構成については同一の符号を用い説明する。本実施例では、集積回路１１０内であり、増幅回路の後段にクリップ回路１２１５と、不揮発性メモリ１２１１が設けられている。不揮発性メモリ１２１１は、増幅抵抗ａ１０７、基準電圧源９０６およびクリップ回路１２１５と接続され、増幅回路の増幅率を決定する情報、基準電圧源９０６のオフセット電圧を決定する情報、およびクリップ回路１２１５のクリップ電圧を決定する情報を記憶し、不揮発性メモリ１２１１に書込まれた情報により、増幅抵抗ａ１０７の値、基準電圧源９０６のオフセット電圧またはクリップ回路１２１５のクリップ電圧の少なくとも一つが制御されて、検知信号の増幅率を可変することができる。クリップ回路１２１５のクリップ電圧を制御するには、クリップ回路１２１５を図１１（ｂ）に示す電圧クリップ回路における抵抗１１０５、１１０６、１１０７、１１０８のいずれかを可変抵抗とし、不揮発性メモリ１２１１に記憶された情報によってクリップ回路１２１５内の抵抗値を変化させればよい。

以上、本発明について３つの実施例に基づき説明してきたが、本発明の圧電センサはこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において上述した実施例に種々の変更を加えたものも含む。

１０１、３０１、５０１…圧電素子、１０２、３０２…直流遮断容量、１０３、３０３、５０３…放電抵抗、１０４、３０４、５０４…充電容量、１０５、３０５、５０５…積分用演算アンプ、１０６、３０６、５０６、９０６…基準電圧源、１０７、３０７、５０７…増幅抵抗ａ、１０８、３０８、５０８…増幅抵抗ｂ、１０９、３０９、５０９…増幅用演算アンプ、１１０、３１０…集積回路、１１１、９１１、１２１１…不揮発性メモリ、１１２、３１２…フィードバック端子、１１３、３１３…信号出力端子、１１４…書込み端子、１１５、３１５…信号入力端子、２０２…アドレス・データ制御回路、２０３…メモリセル、２０４…半導体スイッチ、６０１…ダイヤフラムヘッド、６０２…固定ネジ、６０３…フロントハウジング、６０４…圧電素子、６０５…導線、６０６…回路基板、６０７…回路ケース、６０９…リアハウジング、７０２…外部接続用コネクタ、７０３…ユーザー端子、８１３…兼用端子、８１５…電源端子、８１６…電源モニタ回路、８１８…電子スイッチ、１００１…バンドギャップレギュレータ、１００２…演算アンプ、１００３、１００４…可変抵抗、１１０５、１１０６、１１０７、１１０８…抵抗、１２１５…クリップ回路

Claims

圧力を検知するための圧電素子と、
前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
前記増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリを内部に収容する筐体と、
一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子と
を備える圧電センサ。
前記増幅回路は、増幅用演算アンプと可変抵抗とを有しており、
前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶すること
を特徴とする請求項１に記載の圧電センサ。
前記基準電圧源は、前記オフセット電圧を設定するための他の可変抵抗を有しており、
前記メモリは、前記オフセット電圧を設定するための前記他の可変抵抗の情報をさらに記憶すること
を特徴とする請求項２に記載の圧電センサ。
前記筐体の内部に収容され、前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路をさらに備え、
前記クリップ回路は、クリップ電圧を設定するための別の可変抵抗を有しており、
前記メモリは、前記クリップ電圧を設定するための前記別の可変抵抗の情報をさらに記憶すること
を特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の圧電センサ。
前記書込み端子が、前記筐体の内部に収容された前記積分回路および前記増幅回路と当該筐体の外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の圧電センサ。
圧力を検知するための圧電素子と、
前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
前記基準電圧源の前記オフセット電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリを内部に収容する筐体と、
一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子と
を備える圧電センサ。
前記基準電圧源は、前記オフセット電圧を、可変抵抗を用いて規定しており、
前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶すること
を特徴とする請求項６に記載の圧電センサ。
圧力を検知するための圧電素子と、
前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路と、
前記クリップ回路のクリップ電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
前記圧電素子、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源、前記クリップ回路および前記メモリを内部に収容する筐体と、
一端が前記筐体の内部に収容された前記メモリに接続されるとともに、他端が当該筐体の外部に露出するように配置され、前記情報を当該メモリに書き込むための書込み端子と
を備える圧電センサ。
前記クリップ回路は、前記クリップ電圧を、可変抵抗を用いて規定しており、
前記メモリは、前記可変抵抗の情報を記憶すること
を特徴とする請求項８に記載の圧電センサ。