JP6538532B2

JP6538532B2 - Piezoelectric sensor

Info

Publication number: JP6538532B2
Application number: JP2015232157A
Authority: JP
Inventors: 里克中村
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd; Citizen Fine Device Co Ltd
Priority date: 2015-11-27
Filing date: 2015-11-27
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2035-11-27
Also published as: JP2017096886A

Description

本発明は、圧電素子によって物理量を測定し、測定結果の交流電流信号を積分し、増幅して出力する圧電センサに関するものである。 The present invention relates to a piezoelectric sensor that measures a physical quantity with a piezoelectric element, integrates an alternating current signal as a measurement result, and amplifies and outputs it.

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、応答速度も速いため、圧力センサや加速度センサとして広く用いられている（例えば、特許文献１参照。）。 A piezoelectric sensor using a piezoelectric element that generates an electric charge according to a physical deformation amount is widely used as a pressure sensor or an acceleration sensor because of its high sensitivity and high response speed (see, for example, Patent Document 1). ).

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、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は静電気保護回路を、１０６は基準電圧源を、１０７は増幅回路を、１０８は積分用演算アンプを、１０９は集積回路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、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１０２を介して積分演算用アンプ１０８の負側入力端子に接続されている。 FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional piezoelectric sensor. In FIG. 3, 101 represents a piezoelectric element, 102 represents a DC blocking capacity, 103 represents a discharge resistance, 104 represents a charge capacity, 105 represents an electrostatic protection circuit, 106 represents a reference voltage source, 107 represents an amplifier circuit, 108 Denotes an operational amplifier for integration, and 109 denotes an integrated circuit. The piezoelectric element 101 has a pair of electrodes on its surface, and outputs a charge signal from the electrode in accordance with the stress applied to the piezoelectric element 101. Since the configuration for drawing wiring from the electrode and inputting to the circuit block becomes very complicated, the piezoelectric element 101 has a configuration in which one of the electrodes is grounded and a signal is taken from the other electrode as shown in FIG. It is commonly used. The other electrode is connected to the negative input terminal of the integration operation amplifier 108 through the DC blocking capacitor 102.

積分演算用アンプ１０８は、負側入力端子と出力端子との間に放電抵抗１０３と充電容量１０４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１０８と、充電容量１０４と、放電抵抗１０３と、基準電圧源１０６とによって、積分回路が構成されている。 In the integration operation amplifier 108, the discharge resistor 103 and the charge capacity 104 are connected in parallel between the negative side input terminal and the output terminal, and the reference voltage source 106 is connected to the positive side input terminal. An integration circuit is configured by the charge capacity 104, the discharge resistor 103, and the reference voltage source 106.

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１０８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。積分用演算アンプ１０８に高入力インピーダンスのものを使用することで、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１０３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１０４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１０４と放電抵抗１０３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。 The alternating current charge signal output from the piezoelectric element 101 passes through a direct current blocking capacitor 102 for cutting a direct current component, and is accumulated and integrated in a charging capacitor 104 provided between the input and output of the integrating operational amplifier 108 It is converted to the signal Vo1. By using a high input impedance amplifier for integration, it is possible to accurately detect even a small charge signal. The discharge resistance 103 is provided to prevent the charge capacity 104 from being saturated when the positive / negative balance of the AC charge signal is not equal, and the charge / discharge time constant determined by the charge capacity 104 and the discharge resistance 103 is And the period of the detection signal needs to be sufficiently long.

積分用演算アンプ１０８の後段には、積分用演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１を増幅する正転増幅回路によって構成される増幅回路１０７が接続され、増幅回路１０７は基準電圧源１０６と接続されている。基準電圧源１０６は、演算アンプ１０８および増幅回路１０７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。 At the subsequent stage of the integration operational amplifier 108, an amplification circuit 107 configured by a non-inverting amplification circuit that amplifies the output Vo1 of the integration operation amplifier 108 is connected, and the amplification circuit 107 is connected to the reference voltage source 106. The reference voltage source 106 is for providing a predetermined bias voltage to the operational amplifier 108 and the amplifier circuit 107, and a voltage regulator circuit or the like utilizing a band gap voltage of a transistor is generally used.

また、積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と高電位を供給する電源線、および積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と低電位または接地電位を供給する電源線の間には、ダイオードのブレークダウン特性を利用する逆方向ダイオードがそれぞれ接続された静電気保護回路１０５が構成されている。静電気保護回路１０５は、外部からの静電気によって集積回路内部が破壊されるのを防止するためのものである。図３に示す従来例では、集積回路１０９は積分演算アンプ１０８、増幅回路１０７、基準電圧源１０６、および静電気保護回路１０５が集積回路化され構成されている。 A diode is connected between the negative input terminal of the integrating operational amplifier 108 and the power supply line supplying high potential, and between the negative input terminal of the integrating operational amplifier 108 and the power supply line supplying low potential or ground potential. An electrostatic protection circuit 105 is configured in which reverse diodes respectively utilizing breakdown characteristics are connected. The electrostatic protection circuit 105 is for preventing the inside of the integrated circuit from being destroyed by static electricity from the outside. In the conventional example shown in FIG. 3, in the integrated circuit 109, an integration operational amplifier 108, an amplification circuit 107, a reference voltage source 106, and an electrostatic protection circuit 105 are integrated and configured.

圧電センサの回路部を集積回路化した場合、静電気保護回路１０５は積分用演算アンプ１０８の入力部にが設けられる。回路部をディスクリート集積回路で構成した場合においても、積分用演算アンプ入力部には同様に静電気保護回路が設けられる。また、図３の構成では回路ブロックを単一集積回路化している場合を想定しているが、ディスクリートの集積回路を組み合わせて回路ブロックを構成しても良い。回路ブロックを単一集積回路化する場合でも、充電容量１０４と放電抵抗１０３は集積回路１０９の外部に設置されることが一般的である。これは通常充電容量１０４と放電抵抗１０３の値が大きいため、集積回路１０９の内部に作り込むことが難しいためである。 When the circuit portion of the piezoelectric sensor is integrated, the electrostatic protection circuit 105 is provided at the input portion of the integration operational amplifier 108. Even in the case where the circuit unit is constituted by a discrete integrated circuit, an electrostatic protection circuit is similarly provided in the integration operational amplifier input unit. Further, in the configuration of FIG. 3, it is assumed that the circuit block is integrated into a single integrated circuit. However, the circuit block may be configured by combining discrete integrated circuits. Even when the circuit block is integrated into a single integrated circuit, the charge capacity 104 and the discharge resistor 103 are generally provided outside the integrated circuit 109. This is because it is difficult to build in the integrated circuit 109 because the values of the charge capacity 104 and the discharge resistance 103 are usually large.

図４は静電気保護回路の別の構成例を示す図である。静電気保護回路１０５は逆方向ダイオードにより構成する他に、図４に示すようにトランジスタのスナップバック特性を利用するゲート接地トランジスタ４０１および４０２も一般に用いられる。なお図示していないが、静電気保護回路の前後に低抵抗を設けて、静電気保護効果をより高めた構成も多く用いられている。 FIG. 4 is a diagram showing another configuration example of the electrostatic protection circuit. The electrostatic protection circuit 105 is formed of a reverse diode, and, as shown in FIG. 4, gate-grounded transistors 401 and 402 utilizing the snapback characteristics of the transistors are generally used. Although not shown, low resistances are provided before and after the static electricity protection circuit to increase the static electricity protection effect.

図５は従来の圧電センサの別の構成例を示す図である。図３に示した従来例と同様の構成については同様の符号を付しており、図３と相違する点について説明する。図３に示す従来例と相違する点は、図３に示す従来例においては、充電容量１０４と放電抵抗１０３は積分用演算アンプ１０８の入出力間に設けられているが、この従来例では、積分用演算アンプ１０８の正側入力端子と基準電圧源１０６との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３が設けられている。また、増幅回路１０７は一段構成の正転増幅回路であるが、反転増幅回路１１０により構成されている。増幅回路１０７は一段構成ではなく多段にする構成もとり得る。 FIG. 5 is a view showing another configuration example of the conventional piezoelectric sensor. The same reference numerals as in the conventional example shown in FIG. 3 denote the same parts, and the difference from FIG. 3 will be described. The difference from the conventional example shown in FIG. 3 is that, in the conventional example shown in FIG. 3, the charge capacity 104 and the discharge resistor 103 are provided between the input and output of the integration operational amplifier 108. A charge capacity 104 and a discharge resistance 103 are provided between the positive side input terminal of the integration operational amplifier 108 and the reference voltage source 106. The amplification circuit 107 is a one-stage non-inversion amplification circuit, but is constituted by an inversion amplification circuit 110. The amplifier circuit 107 may have a multistage structure instead of a single-stage structure.

特開２００９−１１５４８４号公報JP, 2009-115484, A

静電気保護回路には微小な順方向リーク電流が発生し、その電流量は温度に従って指数関数的に増大することが知られている。圧電センサの積分用演算アンプ１０８の入力部分に設けられた静電気保護回路１０５で発生したリーク電流は、放電抵抗１０３を通って演算アンプ１０８の出力に流れるため、リーク電流値と放電抵抗１０３の抵抗値を乗算した電圧が演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１に表れる。そしてこの電圧は、さらに後段の増幅回路１０７で増幅され、出力信号Ｖｏｕｔのオフセット電圧変動をもたらす。 It is known that a small amount of forward leakage current occurs in the electrostatic protection circuit, and the amount of the current increases exponentially with temperature. The leakage current generated in the electrostatic protection circuit 105 provided in the input portion of the integration operational amplifier 108 for the piezoelectric sensor flows to the output of the operational amplifier 108 through the discharge resistor 103, so the leakage current value and the resistance of the discharge resistor 103 The voltage multiplied by the value appears on the output Vo1 of the operational amplifier 108. Then, this voltage is further amplified by the amplifier circuit 107 at the subsequent stage, and causes an offset voltage fluctuation of the output signal Vout.

放電抵抗１０３は、前述のように時定数を確保するため非常に高い抵抗値のものを使用するため、その分リーク電流によるオフセット電圧は大きくなる。一般に静電気保護回路１０５のリーク電流は、常温ではフェムトアンペア以下のオーダーであるため、オフセット電圧の変動はわずかなものに収まるが、１００℃を越えるような高温環境下においては、リーク電流が数百ピコ〜数ナノアンペアオーダーまで増大し、オフセット電圧の変動が飛躍的に増大してしまう。 As described above, since the discharge resistor 103 uses a very high resistance value to secure the time constant, the offset voltage due to the leak current is increased accordingly. Generally, the leakage current of the electrostatic protection circuit 105 is on the order of femto-amperes or less at ordinary temperature, so the offset voltage fluctuates only slightly, but under high temperature environments exceeding 100 ° C., the leakage current is several hundred It increases to the pico to several nanoampere order, and the variation of the offset voltage increases dramatically.

例えば自動車エンジンの燃焼圧センサのように、高温環境下での測定が必要な用途においては、上記リーク電流によるオフセット電圧変動の影響が無視できなくなり、正しい測定値の取得が困難になる。図７は、圧力センサの出力信号の例を説明するための図であり、（ａ）はリーク電流が微小の場合の圧力センサの出力信号を示し、（ｂ）はリーク電流が大きい場合の出力信号を示している。図７に示すように、圧力センサの出力信号はオフセット電圧によりオフセットされている。リーク電流が微小の場合は、予め定められた有効電圧範囲内に出力信号は収まるが、リーク電流が大きい場合には出力信号のオフセット電圧の変動により、有効電圧範囲で出力電圧が飽和してしまい、測定値が取得できない等の深刻な弊害を生じる。 For example, in an application requiring measurement in a high temperature environment, such as a combustion pressure sensor of an automobile engine, the influence of the offset voltage fluctuation due to the leak current can not be ignored, and it becomes difficult to obtain a correct measurement value. FIG. 7 is a diagram for explaining an example of the output signal of the pressure sensor, wherein (a) shows the output signal of the pressure sensor when the leak current is very small, and (b) shows the output when the leak current is large. Signal is shown. As shown in FIG. 7, the output signal of the pressure sensor is offset by the offset voltage. If the leakage current is small, the output signal falls within the predetermined effective voltage range, but if the leakage current is large, the output voltage is saturated in the effective voltage range due to the fluctuation of the offset voltage of the output signal. Cause serious adverse effects such as the inability to obtain measured values.

なお、演算アンプ１０８の入力端子に生じるリーク電流としては、静電気保護回路が原因で発生するものの他に、回路が実装されるプリント基板の表面リーク電流等があるが、この場合も同様に上記問題が発生する。 The leak current generated at the input terminal of the operational amplifier 108 includes the surface leak current of the printed circuit board on which the circuit is mounted and the like in addition to the one generated due to the electrostatic protection circuit. Occurs.

本発明は、以上の課題を解決するために成されたもので、積分用演算アンプ入力に大きなリーク電流が発生した場合でも、正確な出力を得ることができる圧電センサを提供することを目的とする。 The present invention was made to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide a piezoelectric sensor capable of obtaining an accurate output even when a large leak current occurs at the input of the integrating operational amplifier. Do.

上記課題を解決するため、本発明の圧電センサは、物理量を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から入力された交流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する増幅回路と、前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、前記積分回路の負側入力端子と出力端との間に充電容量と放電抵抗とが並列に接続されており、前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗を介して前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源とが接続されていることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a piezoelectric sensor according to the present invention includes a piezoelectric element for detecting a physical quantity, an integrating circuit that integrates an alternating current signal input from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal, and the integrating circuit , An amplifier circuit for amplifying an output of the amplifier, a reference voltage source connected to the amplifier circuit to define an offset voltage of the amplifier circuit, and static electricity connected to at least one of a positive input terminal or a negative input terminal of the integration circuit. A piezoelectric sensor comprising a protection circuit, wherein a charge capacity and a discharge resistance are connected in parallel between the negative input terminal and the output end of the integration circuit, and leakage current generated in the electrostatic protection circuit The positive side input terminal of the integration circuit is connected to the reference voltage source via a leak compensation resistor that compensates for the variation of the offset voltage that is generated.

また、物理量を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から入力された交流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する増幅回路と、前記増幅回路と接続され前記増幅回路のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記積分回路の正側入力端子または負側入力端子の少なくとも一方に接続された静電気保護回路を備えた圧電センサであって、前記積分回路の正側入力端子と前記基準電圧源との間に充電容量および放電抵抗が接続されており、前記積分回路の負側入力端子と出力端子との間に前記静電気保護回路に発生するリーク電流によって生じる前記オフセット電圧の変動を補償するリーク補償抵抗が接続されている圧電センサとする。 Further, a piezoelectric element for detecting a physical quantity, an integration circuit that integrates an alternating current signal input from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal, an amplification circuit that amplifies the output of the integration circuit, and the amplification circuit A piezoelectric voltage sensor including an electrostatic protection circuit connected to the reference voltage source connected to at least one of the positive input terminal and the negative input terminal of the integration circuit, positive input terminal of the integrating circuit and the charge capacity and discharge electric resistance is connected between said reference voltage source, generated in the electrostatic protection circuit between the negative-side input terminal and the output terminal of the integrating circuit In the piezoelectric sensor, a leak compensation resistor is connected to compensate for the fluctuation of the offset voltage caused by the leak current.

さらに前記リーク補償抵抗は前記放電抵抗と等しい抵抗値であることを特徴とする。 Further, the leak compensation resistor has a resistance value equal to that of the discharge resistor.

さらに、前記静電気保護回路は、前記積分回路の入力端子と高電位を供給する第１の電源線、および前記積分回路の入力端子と低電位または接地電位を供給する第２の電源線との間にそれぞれ接続されたダイオードにより構成されている圧電センサとする。 Furthermore, the electrostatic protection circuit is connected between an input terminal of the integration circuit and a first power supply line supplying a high potential, and between an input terminal of the integration circuit and a second power supply line supplying a low potential or a ground potential. The piezoelectric sensor is composed of diodes connected to each of

さらに前記静電気保護回路は、前記積分回路の正側入力端子および負側入力端子のそれぞれに備えている圧電センサとする。 Further, the electrostatic protection circuit is a piezoelectric sensor provided on each of the positive input terminal and the negative input terminal of the integration circuit.

さらに、少なくとも、前記積分回路、前記増幅回路および前記基準電圧源が単一集積回路化されている圧電センサとする。 Furthermore, at least the integration circuit, the amplification circuit, and the reference voltage source are piezoelectric sensors integrated into a single integrated circuit.

本発明によれば、圧電センサの静電気保護回路に発生したリーク電流による圧電センサの出力変動を抑制することができ、正確な出力を得ることができる。 According to the present invention, the output fluctuation of the piezoelectric sensor due to the leak current generated in the electrostatic protection circuit of the piezoelectric sensor can be suppressed, and an accurate output can be obtained.

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。なお、従来例と同様の構成については、同一の符号を用いて説明する。 A specific embodiment of the piezoelectric sensor of the present invention will be described based on the drawings. In addition, about the structure similar to a prior art example, it demonstrates using the same code | symbol.

図１は、本発明の圧電センサの一実施例を示す図である。本発明の圧電センサは、加わった圧力に応じて電荷信号を出力する圧電素子１０１と、積分演算アンプ１０８と充電容量１０４、放電抵抗１０３で構成され圧電素子１０１から出力された電荷信号を積分することで電圧信号に変換する積分回路と、オペアンプと帰還抵抗で構成され変換後の電圧信号を増幅して外部に出力する増幅回路１０７と、基準電圧源１０８と、静電気保護回路１１２、１１３とを備える。積分演算アンプ１０８、増幅回路１０７、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３は集積回路化され集積回路１０９を構成している。 FIG. 1 is a view showing an embodiment of a piezoelectric sensor of the present invention. The piezoelectric sensor according to the present invention integrates the charge signal output from the piezoelectric element 101, which is composed of the piezoelectric element 101 that outputs the charge signal according to the applied pressure, the integration operational amplifier 108, the charge capacity 104, and the discharge resistor 103. And an amplifier circuit 107 configured by an operational amplifier and a feedback resistor to amplify and output the converted voltage signal, a reference voltage source 108, and electrostatic protection circuits 112 and 113. Prepare. The integration operational amplifier 108, the amplification circuit 107, the reference voltage source 106, and the electrostatic protection circuits 112 and 113 are integrated into an integrated circuit 109.

圧電素子１０１は、圧電体に形成された一対の電極の一方が接地され、他方の電極が直流遮断容量１０２を介して積分演算アンプ１０８の負側入力端子に接続されている。積分演算アンプ１０８は、負側入力端子と出力端子との間に放電抵抗１０３と充電容量１０４が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源１０６が接続されている。 In the piezoelectric element 101, one of a pair of electrodes formed on the piezoelectric body is grounded, and the other electrode is connected to the negative input terminal of the integration operational amplifier 108 via the DC blocking capacitor 102. In the integration operational amplifier 108, the discharge resistor 103 and the charge capacitor 104 are connected in parallel between the negative side input terminal and the output terminal, and the reference voltage source 106 is connected to the positive side input terminal.

積分用演算アンプ１０８の後段には、積分演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１を増幅する正転増幅回路によって構成される増幅回路１０７が接続され、増幅回路１０７は基準電圧源１０６と接続されている。基準電圧源１０６は、演算アンプ１０８および増幅回路１０７に所定のバイアス電圧を与え、増幅回路１０７のオフセット電圧を規定しており、例えば、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使用される。 An amplification circuit 107 configured by a non-inverting amplification circuit that amplifies the output Vo1 of the integration operation amplifier 108 is connected to the subsequent stage of the integration operation amplifier 108, and the amplification circuit 107 is connected to the reference voltage source 106. The reference voltage source 106 supplies a predetermined bias voltage to the operational amplifier 108 and the amplifier circuit 107 and defines an offset voltage of the amplifier circuit 107. For example, a voltage regulator circuit using a band gap voltage of a transistor is used. Ru.

また、積分用演算アンプ１０８の正側および負側の入力端子と高電位を供給する電源線、および積分用演算アンプ１０８の負側入力端子と低電位または接地電位を供給する電源線の間には、ダイオードのブレークダウン特性を利用する逆方向ダイオードがそれぞれ接続された静電気保護回路１１２、１１３が構成されている。静電気保護回路１１２および１１３は、同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同一なものを使用している。 Also, between the positive and negative input terminals of integrating operational amplifier 108 and the power supply line supplying high potential, and between the negative input terminal of integrating operational amplifier 108 and the power supply line supplying low potential or ground potential In the circuit, electrostatic protection circuits 112 and 113 are configured, to which reverse diodes are connected, respectively, which make use of the breakdown characteristics of the diodes. The electrostatic protection circuits 112 and 113 have the same configuration, the same size, and the same layout shape.

さらに積分演算アンプ１０８の正側入力端子は、集積回路１０９の外部に出力され、放電抵抗１０３と同じ抵抗値のリーク補償抵抗１１１を介して基準電圧源１０６に接続されている。 Furthermore, the positive side input terminal of the integration operational amplifier 108 is output to the outside of the integrated circuit 109 and connected to the reference voltage source 106 via the leak compensation resistor 111 having the same resistance value as the discharge resistor 103.

本実施例に記載されるように、静電気保護回路１１２と１１３の、構成、サイズおよびレイアウトを同一形状とすることで、積分用演算アンプ１０８の正負それぞれの入力端子に発生するリーク電流は、温度が変化した場合でも常にほぼ一致する。積分用演算アンプ１０８の両入力端子に発生するリーク電流をＩｌｋとしたとき、積分用演算アンプ１０８の出力電圧Ｖｏ１は、入力検知電流を積分して得られる検知電圧Ｖｓｅと、負側入端子のオフセット電圧Ｖｉｍと、負側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋと放電抵抗１０３の値Ｒｄｃによる電圧降下を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｉｍ−Ｉｌｋ×Ｒｄｃ As described in the present embodiment, by making the configurations, sizes and layouts of the electrostatic protection circuits 112 and 113 the same shape, the leakage current generated in each of the positive and negative input terminals of the integrating operational amplifier 108 is a temperature. Even if there is a change, they almost always match. Assuming that the leak current generated at both input terminals of the integrating operational amplifier 108 is Ilk, the output voltage Vo1 of the integrating operational amplifier 108 is the detection voltage Vse obtained by integrating the input detection current, and the negative side input terminal The offset voltage Vim, the leak current Ilk generated at the negative side input terminal, and the voltage drop due to the value Rdc of the discharge resistor 103 are added, which is expressed by the following equation.
Vo1 = Vse + Vim−Ilk × Rdc

一方積分用演算アンプ１０８の正側入力端子に発生したリーク電流Ｉｌｋにより、正側入力端子電圧Ｖｉｐは、基準電圧源１０６の出力電圧Ｖｒｆに、リーク電流Ｉｌｋとリーク補償抵抗１１３の値Ｒｃｐの積に等しい電圧を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｉｐ＝Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｃｐ On the other hand, positive side input terminal voltage Vip is the product of leakage current Ilk and value Rcp of leakage compensation resistance 113 by output side voltage Vrf of reference voltage source 106 due to leakage current Ilk generated at the positive side input terminal of operational amplifier 108 for integration. The voltage is equal to and is expressed by the following formula.
Vip = Vrf + Ilk x Rcp

ここで、積分用演算アンプ１０８のイマジナリーショート作用により、正負入力端子の電圧ＶｉｍとＶｉｐとは等しくなるので、結局、積分用演算アンプ１０８の出力電圧Ｖｏ１は以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｃｐ−Ｉｌｋ×Ｒｄｃ
放電抵抗１０３の値Ｒｄｃと、リーク補償抵抗１１３の値Ｒｃｐの値を等しく設定しておけば、リーク電流によるオフセットの項は相殺され、
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ
となり、積分用演算アンプ１０８の出力Ｖｏ１および、それを増幅して得られる検知信号Ｖｏｕｔは、リーク電流によるオフセット電圧変動が完全に補償された検知信号となる。 Here, since the voltages Vim and Vip of the positive and negative input terminals become equal due to the imaginary short action of the integrating operational amplifier 108, the output voltage Vo1 of the integrating operational amplifier 108 is expressed by the following equation.
Vo1 = Vse + Vrf + Ilk × Rcp−Ilk × Rdc
If the value Rdc of the discharge resistor 103 and the value Rcp of the leak compensation resistor 113 are set equal, the offset term due to the leak current is offset,
Vo1 = Vse + Vrf
Thus, the output Vo1 of the integration operational amplifier 108 and the detection signal Vout obtained by amplifying it become a detection signal in which the offset voltage fluctuation due to the leak current is completely compensated.

静電気保護回路１１２および１１３のリーク電流Ｉｌｋの向きは、保護回路構造やサイズによって正負のいずれの場合もあり、また温度によってリーク電流の向きが変化する場合もある。上記数式からわかるように本発明では、リーク電流の向きが正負いずれであっても（Ｉｌｋの値が正負いずれであっても）、リーク電流による電圧変動項は必ず相殺され、リーク電流によるオフセット電圧変動は補償される。 The direction of the leak current Ilk of the electrostatic protection circuits 112 and 113 may be positive or negative depending on the structure and size of the protective circuit, and the direction of the leak current may change depending on the temperature. As understood from the above equation, in the present invention, regardless of whether the direction of the leak current is positive or negative (even if the value of Ilk is positive or negative), the voltage fluctuation term due to the leak current is always canceled out, and the offset voltage due to the leak current is The fluctuations are compensated.

図１には示していないが、集積回路１０９において、積分用演算アンプ１０８の入力端子以外の端子にも、当然静電気保護回路は設けられている。しかしこれらの端子は入出力インピーダンスの低い回路に接続されているため、保護回路で発生したリーク電流はそれら回路に吸収され、リーク電流による問題は起こらない。 Although not shown in FIG. 1, in the integrated circuit 109, of course, the electrostatic protection circuit is also provided to terminals other than the input terminal of the integration operational amplifier 108. However, since these terminals are connected to a circuit having a low input / output impedance, the leak current generated in the protection circuit is absorbed by the circuits, and the problem due to the leak current does not occur.

これに対して積分用演算アンプ１０８の入力端子は、高いインピーダンスに作られており、静電気保護回路１１３で発生したリーク電流は、演算アンプ１０８の入力端子には吸収されず、放電抵抗１０３に流れてオフセット電圧を発生させてしまう。 On the other hand, the input terminal of the integrating operational amplifier 108 is made to have high impedance, and the leakage current generated in the electrostatic protection circuit 113 is not absorbed by the input terminal of the operational amplifier 108 and flows to the discharge resistor 103. Offset voltage is generated.

本発明の圧電センサは、例えば自動車エンジンの燃焼圧を測定する燃焼圧センサとして利用される。図６は自動車エンジンの燃焼圧を測定する圧電センサの簡易構造図である。圧電センサは、エンジン本体に取り付けるため筐体６０１の前部は細長い筒状になっており、先端部６０２に圧電素子１０１が、圧力を伝えるダイヤフラム６０４とともに設けられている。 The piezoelectric sensor of the present invention is used, for example, as a combustion pressure sensor that measures the combustion pressure of an automobile engine. FIG. 6 is a simplified structural view of a piezoelectric sensor for measuring the combustion pressure of an automobile engine. The piezoelectric sensor is attached to the engine main body, and the front portion of the housing 601 is formed in an elongated cylindrical shape, and the piezoelectric element 101 is provided at the tip portion 602 together with the diaphragm 604 for transmitting pressure.

圧電素子１０１の両端には電極６０５および６０６が設けられており、回路側の電極６０６で発生した検知信号は、導線６０８を通って、回路基板６０７に入力する。回路基板６０７には圧電素子１０１から発生した検知信号を処理するため、前述の積分回路や増幅回路等を備えている。また、ダイヤフラム側の電極６０５は、ダイヤフラム６０４を介して筐体６０１に接触しており、筐体６０１を接地することで、接地電位が与えられる。 Electrodes 605 and 606 are provided at both ends of the piezoelectric element 101, and a detection signal generated at the electrode 606 on the circuit side is input to the circuit board 607 through the conducting wire 608. The circuit board 607 is provided with the aforementioned integration circuit, amplification circuit, and the like in order to process the detection signal generated from the piezoelectric element 101. Further, the electrode 605 on the diaphragm side is in contact with the housing 601 through the diaphragm 604, and the ground potential is given by grounding the housing 601.

圧電素子１０１の電極６０５および６０６から電荷信号は発生するが、図６のような構造の場合、ダイヤフラム側の電極６０５から配線を引き回して、回路基板６０７に入力する構造では非常に複雑な構成となるため、ダイヤフラム側の電極６０５は接地させ、回路側電極６０６からのみ検知信号を取る構成が一般に用いられている。 A charge signal is generated from the electrodes 605 and 606 of the piezoelectric element 101. However, in the case of the structure as shown in FIG. 6, wiring is drawn around from the electrode 605 on the diaphragm side and input to the circuit board 607. Therefore, a configuration in which the electrode 605 on the diaphragm side is grounded and a detection signal is taken only from the circuit side electrode 606 is generally used.

図２は本発明の圧電センサの他の構成例を示す図である。実施例１と同様に本発明の圧電センサは、圧電素子１０１と、積分用演算アンプ１０８、放電抵抗１０３、充電抵抗１０４とで構成された積分回路、往復回路１１０、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３、リーク補償抵抗１１１を備えている。実施例１の圧電センサでは、充電容量１０４と放電抵抗１０３は積分用演算アンプ１０８の入出力端子間に設けているが、本実施例では、積分用演算アンプ１０８の正側入力端子と基準電圧源１０６との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３を設けている。また、増幅回路１１０は反転増幅回路により構成され、基準電圧源１０６と接続されている。 FIG. 2 is a view showing another configuration example of the piezoelectric sensor of the present invention. As in the first embodiment, the piezoelectric sensor according to the present invention includes an integration circuit including a piezoelectric element 101, an integration operational amplifier 108, a discharge resistor 103, and a charge resistor 104, a reciprocating circuit 110, a reference voltage source 106, and electrostatic protection. Circuits 112 and 113, and a leakage compensation resistor 111 are provided. In the piezoelectric sensor of the first embodiment, the charge capacity 104 and the discharge resistance 103 are provided between the input and output terminals of the integrating operational amplifier 108, but in the present embodiment, the positive side input terminal of the integrating operational amplifier 108 and the reference voltage Between the source 106, a charge capacity 104 and a discharge resistor 103 are provided. The amplifier circuit 110 is formed of an inverting amplifier circuit and connected to a reference voltage source 106.

さらに積分用演算アンプ１０８の負側入力端子は、積分用演算アンプ１０８、増幅回路１１０、基準電圧源１０６、静電気保護回路１１２、１１３とで構成された集積回路１０９の外部に出力し、放電抵抗１０３と同じ抵抗値のリーク補償抵抗１１１を介して積分用演算アンプ１０８の出力端子に接続している。ここで、積分用演算アンプ１０８の正負入力端子の静電気保護回路１１２および１１３は、実施例１で述べた構成と同様、同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同じものを使用している。 Further, the negative side input terminal of the integrating operational amplifier 108 is output to the outside of the integrated circuit 109 configured of the integrating operational amplifier 108, the amplifier circuit 110, the reference voltage source 106, and the electrostatic protection circuits 112 and 113, It is connected to the output terminal of the integrating operational amplifier 108 through the leak compensation resistor 111 having the same resistance value as that of the reference numeral 103. Here, the electrostatic protection circuits 112 and 113 of the positive and negative input terminals of the integration operational amplifier 108 have the same configuration, the same size, and the same layout shape as the configuration described in the first embodiment.

積分用演算アンプ１０８の両入力端子に発生するリーク電流をＩｌｋとしたとき、正側入力端子電圧Ｖｉｐは、入力検知電流を積分した検知電圧Ｖｓｅと、基準電圧源１０６の電圧Ｖｒｆと、正側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋと放電抵抗１０３の値Ｒｄｃを乗じた電圧を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｉｐ＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｄｃ Assuming that the leak current generated at both input terminals of the integrating operational amplifier 108 is Ilk, the positive side input terminal voltage Vip is the detection voltage Vse obtained by integrating the input detection current, the voltage Vrf of the reference voltage source 106, and the positive side. The leakage current Ilk generated at the input terminal and the voltage multiplied by the value Rdc of the discharge resistor 103 are added, which is represented by the following equation.
Vip = Vse + Vrf + Ilk x Rdc

積分回路の出力Ｖｏ１は、積分用演算アンプ１０８の負側入端子の電圧Ｖｉｍと、負側入力端子に発生するリーク電流Ｉｌｋとリーク補償抵抗１１１の値Ｒｃｐによる電圧降下を加えた、以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｉｍ−Ｉｌｋ×Ｒｃｐ The output Vo1 of the integration circuit is obtained by adding the voltage drop due to the voltage Vim at the negative input terminal of the integrating operational amplifier 108, the leak current Ilk generated at the negative input terminal, and the value Rcp of the leak compensation resistor 111. Is represented by
Vo1 = Vim−Ilk × Rcp

演算アンプ１０８のイマジナリーショート作用により、積分用演算アンプ１０８の正負入力端子の電圧ＶｉｍとＶｉｐは等しくなるので、出力電圧Ｖｏ１は以下の数式で表される。
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ＋Ｉｌｋ×Ｒｄｃ−Ｉｌｋ×Ｒｃｐ
放電抵抗１０３の値Ｒｄｃと、リーク補償抵抗１１１の値Ｒｃｐを等しく設定しておけば、リーク電流による電圧変動の項は相殺され、
Ｖｏ１＝Ｖｓｅ＋Ｖｒｆ
となり、リーク電流によるオフセット電圧変動は完全に補償される。 Since the voltages Vim and Vip at the positive and negative input terminals of the integrating operational amplifier 108 become equal due to the imaginary short action of the operational amplifier 108, the output voltage Vo1 is expressed by the following equation.
Vo1 = Vse + Vrf + Ilk × Rdc−Ilk × Rcp
If the value Rdc of the discharge resistor 103 and the value Rcp of the leak compensation resistor 111 are set equal, the term of the voltage fluctuation due to the leak current is canceled,
Vo1 = Vse + Vrf
The offset voltage fluctuation due to the leak current is completely compensated.

上記数式からわかるように本発明では、リーク電流の向きが正負いずれであっても（Ｉｌｋの値が正負いずれであっても）、オフセット項は相殺され、リーク電流によるオフセット電圧変動は発生しない。 As understood from the above equation, in the present invention, the offset term is offset regardless of whether the direction of the leak current is positive or negative (the value of Ilk is either positive or negative), and the offset voltage fluctuation due to the leak current does not occur.

以上、本発明の圧電センサについて説明してきたが、本発明の圧電センサは上述した実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々変更を加え得ることが可能である。例えば、実施例においてはリーク補償抵抗と放電抵抗を同一の抵抗値としているが、同一の抵抗値としなくともリーク電流に起因するオフセット電圧の変動は相殺とはいかないまでも抑えることは可能である。さらに、実施例では積分用演算アンプの正負入力端子のそれぞれに静電気保護回路を設けているが、どちらか一方のみに静電気保護回路を設けてもよく、また静電気保護回路を積分用演算アンプの正負入力端子の両方に設けた構成においても、それぞれの静電気保護回路を同一構成、同一サイズで、レイアウト形状も同じものを使用しなくとも本発明の効果は発揮される。 The piezoelectric sensor of the present invention has been described above, but the piezoelectric sensor of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. It is. For example, in the embodiment, although the leak compensation resistance and the discharge resistance have the same resistance value, it is possible to suppress the fluctuation of the offset voltage caused by the leakage current without canceling it, even if it is not made the same resistance value. . Furthermore, although the electrostatic protection circuit is provided in each of the positive and negative input terminals of the operational amplifier for integration in the embodiment, the electrostatic protection circuit may be provided for only one of the positive and negative input terminals. Even in the configuration provided on both of the input terminals, the effects of the present invention can be exhibited without using the same configuration, the same size, and the same layout shape of the respective electrostatic protection circuits.

本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例１）The figure which shows one Example of the piezoelectric sensor of this invention (Example 1) 本発明の圧電センサの他の実施例を示す図（実施例２）The figure which shows the other Example of the piezoelectric sensor of this invention (Example 2) 従来の圧電センサの構成例を示す図A diagram showing a configuration example of a conventional piezoelectric sensor 静電気保護回路の別の構成例を示す図Diagram showing another configuration example of the electrostatic protection circuit 従来の圧電センサの他の構成例を示す図A diagram showing another configuration example of a conventional piezoelectric sensor 自動車エンジンの燃焼圧を測定する圧電センサの簡易構造図Simplified structural drawing of a piezoelectric sensor that measures the combustion pressure of an automobile engine 圧力センサの出力信号の例を説明するための図Diagram for explaining an example of output signal of pressure sensor

１０１圧電素子
１０２直流遮断容量
１０３放電抵抗
１０４充電容量
１０５、１１２，１１３静電気保護回路
１０６基準電圧源
１０７、１１０増幅回路
１０８積分用演算アンプ
１０９集積回路
１１１リーク補償抵抗
４０１、４０２ゲート接地トランジスタ
６０１筐体
６０２先端部
６０４ダイヤフラム
６０５ダイヤフラム側電極
６０６回路基板側電極
６０７回路基板
６０８導線 DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 Piezoelectric element 102 DC blocking capacity 103 Discharge resistance 104 Charge capacity 105, 112, 113 Electrostatic protection circuit 106 Reference voltage source 107, 110 Amplifier circuit 108 Integral operational amplifier 109 Integrated circuit 111 Leak compensation resistance 401, 402 Gate grounding transistor 601 Case Body 602 Tip portion 604 Diaphragm 605 Diaphragm side electrode 606 Circuit board side electrode 607 Circuit board 608 Conductor

Claims

A piezoelectric element for detecting a physical quantity;
An integration circuit that integrates an alternating current signal input from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal;
An amplification circuit for amplifying an output of the integration circuit;
A reference voltage source connected to the amplifier circuit to define an offset voltage of the amplifier circuit;
A piezoelectric sensor comprising an electrostatic protection circuit connected to at least one of the positive input terminal and the negative input terminal of the integration circuit,
Leakage compensation that compensates for the fluctuation of the offset voltage generated by the leakage current generated in the electrostatic protection circuit, wherein a charge capacity and a discharge resistance are connected in parallel between the negative input terminal and the output end of the integration circuit A piezoelectric sensor characterized in that a positive side input terminal of the integration circuit and the reference voltage source are connected via a resistor.

A piezoelectric element for detecting a physical quantity;
An integration circuit that integrates an alternating current signal input from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal;
An amplification circuit for amplifying an output of the integration circuit;
A reference voltage source connected to the amplifier circuit to define an offset voltage of the amplifier circuit;
A piezoelectric sensor comprising an electrostatic protection circuit connected to at least one of the positive input terminal and the negative input terminal of the integration circuit,
The charging capacity and discharge electric resistance is connected between the positive input terminal of the integrating circuit and the reference voltage source, the electrostatic protection circuit between the negative-side input terminal and the output terminal of the integrating circuit A piezoelectric sensor characterized in that a leak compensation resistor is connected which compensates for the fluctuation of the offset voltage caused by the leak current generated.

The piezoelectric sensor according to claim 1, wherein the leak compensation resistance has a resistance value equal to that of the discharge resistance.

The electrostatic protection circuit is provided between an input terminal of the integration circuit and a first power supply line supplying a high potential, and between an input terminal of the integration circuit and a second power supply line supplying a low potential or a ground potential. The piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 3, characterized by being connected by a diode.

The piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the electrostatic protection circuit is provided to each of a positive input terminal and a negative input terminal of the integration circuit.

The piezoelectric sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein at least the integration circuit, the amplification circuit, and the reference voltage source are integrated into a single integrated circuit.