JPH0594743U - 圧力検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 圧電体が温度変化した場合に、圧電体の温度
変化によって電圧信号が変動するのを防止し、全体構成
を簡素化する。 【構成】 圧電体１８の内周側に該圧電体１８と共に温
度変化するサーミスタ２６を設け、サーミスタ２６の抵
抗値Ｒｃに応じたバイアス電圧Ｖｂをオペアンプ２１に
予め印加する構成とした。これにより、エンジンの熱が
ケーシング本体等を介して圧電体１８に加わり、パイロ
効果が生じて電荷信号Ｑが増大すると、電荷信号Ｑの変
化に伴う圧力検出信号Ｖの最大値変化分は、圧電体１８
の温度変化に応じて変化するサーミスタ２６の抵抗値Ｒ
ｃに基づいたバイアス電圧Ｖｂの変化分によって相殺さ
れ、圧力検出信号Ｖの最大値が安定化して温度補正が行
われる。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、例えば自動車用エンジンの燃焼圧等を検出するのに用いて好適な圧 力検出装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】

一般に、圧力に応じた電荷信号を出力する圧電体と、該圧電体から出力された 電荷信号を電圧信号に変換する電荷−電圧変換手段とからなる圧力検出装置とし ての内燃機関の筒内圧力検出装置は、例えば特開平１−２１３５３５号公報等に よって知られている。

【０００３】 そこで、この種の従来技術による圧力検出装置を図６および図７に示す。

【０００４】 図において、１はチタン酸鉛等の圧電材料から形成され、例えば点火プラグの 近傍に位置してエンジンのシリンダヘッド（いずれも図示せず）に取付けられた 圧電体を示し、該圧電体１には、後述する第１のオペアンプ２およびサーミスタ ４に接続された一側電極１Ａと、エンジン等を介してアースされた他側電極１Ｂ とが設けられている。そして、該圧電体１は、エンジンの燃焼室内の圧力を受圧 すると、この圧力に応じた電荷信号Ｑを第１のオペアンプ２に出力するものであ る。

【０００５】 ２は第１のオペアンプを示し、該第１のオペアンプ２の出力側と反転入力（マ イナス入力）側との間には抵抗３を介してサーミスタ４が接続され、その非反転 入力（プラス入力）側はアースされている。ここで、前記サーミスタ４は、圧電 体１の近傍に設けられ、該圧電体１の温度変化に応じて、その抵抗値が変化する ものであり、抵抗３と共に第１のオペアンプ２のフィードバック抵抗を構成して いる。

【０００６】 そして、前記第１のオペアンプ２は、抵抗３およびサーミスタ４と共に温度補 正回路を形成し、圧電体１から出力された電荷信号Ｑを抵抗３とサーミスタ４と の合計抵抗値（フィードバック抵抗値）に応じた交流電圧信号Ｖ1 に変換して出 力するものである。

【０００７】 ５は第１のオペアンプ２の出力側に設けられた電荷−電圧変換手段としての第 ２のオペアンプを示し、該第２のオペアンプ５は、その反転入力側が結合コンデ ンサ６，入力抵抗７を介して第１のオペアンプ２に接続され、その非反転入力側 がエンジン等を介してアースされ、その出力側は例えば燃焼室内に噴射する燃料 噴射量等を制御する燃料噴射制御装置（図示せず）に接続されている。また、該 第２のオペアンプ５の反転入力側と出力側との間には、第１のオペアンプ２から 出力された交流電圧信号Ｖ1 によって充電されるコンデンサ８と、時定数調整用 の負帰還抵抗９とが接続されている。

【０００８】 そして、前記第２のオペアンプ５は、コンデンサ８および負帰還抵抗９と共に いわゆるチャージアンプを構成し、第１のオペアンプ２から出力された交流電圧 信号Ｖ1 を積分して、図７に示す如く、直流電圧信号たる圧力検出信号Ｖ2 に変 換するものである。

【０００９】 従来技術による圧力検出装置は、上述の如き構成を有するもので、エンジンが 始動して燃焼室内に燃焼圧が生じると、圧電体１はシリンダヘッドを介してこの 燃焼圧を受圧し、燃焼圧に応じた電荷信号Ｑを出力する。そして、この電荷信号 Ｑは、第１のオペアンプ２によって交流電圧信号Ｖ1 に変換され、結合コンデン サ６等を介して第２のオペアンプ５に入力される。これにより、該第２のオペア ンプ５は、この交流電圧信号Ｖ1 を積分して直流電圧の圧力検出信号Ｖ2 に変換 し、燃料噴射制御装置に出力する。

【００１０】 一方、エンジンの駆動によってエンジン温度が上昇したり、燃焼サイクルに応 じた燃焼温度等が上昇した場合には、圧電体１とサーミスタ４とはほぼ同様に温 度上昇し、この温度上昇により、圧電体１にはパイロ効果が生じて電荷信号Ｑが 増大すると共に、サーミスタ４は抵抗値が減少する。これにより、第１のオペア ンプ２のフィードバック抵抗値が減少し、該第１のオペアンプ２から出力される 交流電圧信号Ｖ1 の値がサーミスタ４の抵抗減少に応じて小さくなる。

【００１１】

【考案が解決しようとする課題】

ところで、上述した従来技術による圧力検出装置では、圧電体１の温度に応じ て抵抗値が変化するサーミスタ４を第１のオペアンプ２のフィードバック抵抗と して接続し、該第１のオペアンプ２によって圧電体１からの電荷信号Ｑを交流電 圧信号Ｖ1 に変換しているから、圧電体１の温度変化によって電荷信号Ｑが増大 した場合でも、該圧電体１と同様の温度変化を受けるサーミスタ４によって交流 電圧信号Ｖ1 を温度補正することにより、図７中に点線で示す如く、第２のオペ アンプ５から出力される圧力検出信号Ｖ2 がＶ2 ′に変化するのを防止できるよ うになっている。

【００１２】 しかし、従来技術によるものでは、圧電体１の温度変化による電荷信号Ｑの温 度補正を行うべく、チャージアンプを構成する第２のオペアンプ５の前処理回路 として、第１のオペアンプ２，抵抗３，サーミスタ４からなる温度補正回路を設 け、さらに、第２のオペアンプ５の出力側と反転入力側との間を負帰還抵抗９に よって接続し、時定数を大きくしているから、回路構成が大幅に複雑化し、コス トが増大するという問題がある。

【００１３】 即ち、圧電体１の温度変化を何ら考慮しない場合には、図８に示す如く、チャ ージアンプとしての第２のオペアンプ５等だけで足りるから、第１のオペアンプ ２，抵抗３，サーミスタ４，負帰還抵抗９等は不要であり、これらの各素子の分 だけ回路が大幅に複雑化する。また、回路が複雑化するため、各オペアンプ２， ５等の各回路素子間の整合性等を維持するのが難しく、正確に燃焼圧を検出する ことができないという問題がある。

【００１４】 本考案は上述した従来技術による問題に鑑みなされたもので、圧電体が温度変 化した場合に、この温度変化によって電圧信号が変動するのを効果的に防止する ことができ、全体構成を簡素化できるようにした圧力検出装置を提供することを 目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】

上述した課題を解決するために、本考案が採用する構成は、電荷−電圧変換手 段から出力される電圧信号にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、 圧電体の温度に基づいて該バイアス電圧印加手段からのバイアス電圧を調整する バイアス電圧調整手段とを設けたことにある。

【００１６】

【作用】

圧電体から圧力に応じて出力された電荷信号は、電荷−電圧変換手段によって 電圧信号に変換された後、バイアス電圧印加手段によりバイアス電圧が加重され て外部に出力される。そして、圧電体が温度変化すると、バイアス電圧調整手段 は、該圧電体の温度に基づいてバイアス電圧印加手段から電荷−電圧変換手段に 印加されるバイアス電圧を調整し、該電荷−電圧変換手段からの電圧信号を調整 する。

【００１７】

【実施例】

以下、本考案の実施例を図１ないし図５に基づいて説明する。

【００１８】 まず、図１ないし図４は本考案の第１の実施例を示している。

【００１９】 図中、１１は後述の図２に示す電気回路と共に圧力検出装置を構成するセンサ 本体を示し、該センサ本体１１は、大径筒部１２Ａおよび小径筒部１２Ｂとから 段付筒状に形成されたケーシング本体１２と、該ケーシング本体１２の上端側を 施蓋する上カバー１３等とから大略構成され、該ケーシング本体１２の小径筒部 １２Ｂ下端側には、燃焼圧に応じて変位する薄肉円板状のダイヤフラム１４が一 体的に設けられている。そして、該センサ本体１１は、ダイヤフラム１４がエン ジンの燃焼室内に臨むようにしてシリンダヘッド（いずれも図示せず）に取付け られている。

【００２０】 １５はケーシング本体１２の小径筒部１２Ｂ内に位置して軸方向に変位可能に 設けられた段付棒状の受圧ロッドを示し、該受圧ロッド１５は、その下端側がダ イヤフラム１４の上面側に当接し、上端側は絶縁性材料からなる下側プレート１ ６等を介して後述の圧電体１８に当接している。そして、該受圧ロッド１５は、 燃焼圧によってダイヤフラム１４が軸方向に撓むと、ケーシング本体１２内を軸 方向に変位し、このダイヤフラム１４の変位を圧電体１８に伝達すると共に、燃 焼室内の高温が圧電体１８に直接伝わるのを防止するものである。

【００２１】 １７は受圧ロッド１５と対向してケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に設 けられたコンタクトプレートを示し、該コンタクトプレート１７は、導電性材料 から筒状に形成されたロッド部１７Ａと、該ロッド部１７Ａの下端側に一体形成 され、下側プレート１６の上面に当接した環状のコンタクト部１７Ｂとから大略 構成され、該ロッド部１７Ａの下側は一部拡径して、後述のサーミスタ２６を収 容する収容室１７Ｃとなっている。

【００２２】 １８はコンタクトプレート１７の外周側に位置して受圧ロッド１５の上側に設 けられ、チタン酸鉛等の圧電材料から筒状に形成された圧電体を示し、該圧電体 １８の上，下面には上側電極１８Ａ，下側電極１８Ｂが形成されている。また、 該圧電体１８の上側電極１８Ａは、図２にも示す如く、導電性材料からなる上側 プレート１９，ケーシング本体１２等を介してアースされ、下側電極１８Ｂは、 コンタクトプレート１７のコンタクト部１７Ｂ等を介して後述するオペアンプ２ １の反転入力側に接続されている。そして、該圧電体１８は、ダイヤフラム１４ が撓んで受圧ロッド１５が変位し、該受圧ロッド１５によって押圧されると、こ の押圧力（応力）に応じた電荷を発生し、この電荷信号Ｑをオペアンプ２１に出 力するものである。

【００２３】 ２０はケーシング本体１２の大径筒部１２Ａ内に螺着された止めねじを示し、 該止めねじ２０は上側プレート１９を介して圧電体１８を所定の初期荷重で押圧 すると共に、該圧電体１８等をケーシング本体１２内で固定している。

【００２４】 図２において、２１はセンサ本体１１の外部に設けられた電荷−電圧変換手段 としてのオペアンプを示し、該オペアンプ２１は、その反転入力側が入力抵抗２ ２，コンタクトプレート１７等を介して圧電体１８の下側電極１８Ｂに接続され 、その非反転入力側はサーミスタ２６等に接続され、その出力側は燃料の噴射量 を制御する燃料噴射制御装置（図示せず）に接続されている。また、該オペアン プ２１の出力側と反転入力側とはコンデンサ２３によって接続され、これにより 、いわゆるチャージアンプを構成している。そして、該オペアンプ２１は、圧電 体１８から出力された電荷信号Ｑを、図３中に点線で示す如く、直流電圧信号と しての圧力検出信号Ｖに変換するものである。

【００２５】 ２４はバッテリ電源等のバイアス電源、２５は一端側が該バイアス電源２４の プラス側に接続され、該バイアス電源２４と共にバイアス電圧印加手段を構成す る分圧抵抗をそれぞれ示し、該分圧抵抗２５の他端側はサーミスタ２６およびオ ペアンプ２１の非反転入力側に接続されている。そして、該バイアス電源２４か らの電源電圧Ｖｃｃは、分圧抵抗２５の抵抗値Ｒとサーミスタ２６の抵抗値Ｒｃ との比率に応じたバイアス電圧Ｖｂに変換され、図３に示す如く、このバイアス 電圧Ｖｂはオペアンプ２１から出力される圧力検出信号Ｖに印加されるようにな っている。

【００２６】 ２６は圧電体１８の内周側に位置して、コンタクトプレート１７の収容室１７ Ｃ内に収容されたバイアス電圧調整手段としてのサーミスタを示し、該サーミス タ２６は、図２に示す如く、その一端側がオペアンプ２１の非反転入力側および 分圧抵抗２５に接続され、その他端側はアースされている。そして、該サーミス タ２６は、ケーシング本体１２にエンジンからの熱が加わると、圧電体１８とほ ぼ同様に温度上昇して抵抗値Ｒｃが変化し、これにより、圧電体１８の温度変化 に基づいて、数１に示す如く、バイアス電源２４からオペアンプ２１に印加され るバイアス電圧Ｖｂを調整するものである。

【００２７】

【数１】

【００２８】 本実施例による圧力検出装置は上述の如き構成を有するもので、次に、その作 動について図３および図４を参照しつつ説明する。

【００２９】 まず、エンジンが始動して燃焼室内で燃焼圧が生じると、ダイヤフラム１４は この燃焼圧を受圧して軸方向に撓み、このダイヤフラム１４の変位は受圧ロッド １５を介して圧電体１８に伝達される。そして、該圧電体１８がこの燃焼圧に応 じた電荷信号Ｑをコンタクトプレート１７，入力抵抗２２等を介してオペアンプ ２１に出力すると、図３中に点線で示す如く、オペアンプ２１はこの電荷信号Ｑ を圧力検出信号Ｖに変換する。

【００３０】 ここで、前記オペアンプ２１には、分圧抵抗２５およびサーミスタ２６の抵抗 比に応じたバイアス電圧Ｖｂが印加されているため、該オペアンプ２１から出力 される出力電圧信号は、図３中に示す如く、圧力検出信号Ｖとバイアス電圧Ｖｂ との加算値となる。そして、燃料噴射制御装置は、オペアンプ２１から出力され た出力電圧信号の最大値Ｖａに基づき、エンジンの燃焼状態を検出し、燃料噴射 量，点火時期等を調節する。

【００３１】 一方、エンジンの長時間の駆動等により、該エンジンの熱がケーシング本体１ ２等を介して圧電体１８，サーミスタ２６に加わると、該圧電体１８とサーミス タ２６とは共に温度上昇する。

【００３２】 そして、圧電体１８に温度上昇によるパイロ効果が発生すると、燃焼圧がほぼ 同一でも該圧電体１８から出力される電荷信号Ｑが増大し、図３中に実線で示す 如く、オペアンプ２１により変換された圧力検出信号はＶからＶ′（Ｖ＜Ｖ′） へと上昇し、その最大値ＶａもＶａ′（Ｖａ＜Ｖａ′）へと大きくなる。

【００３３】 ここで、サーミスタ２６は圧電体１８の内周側に設けられ、該圧電体１８と共 に温度が上昇するから、温度上昇に伴ってその抵抗値Ｒｃが減少する。これによ り、図４に示す如く、バイアス電源２４からオペアンプ２１に印加されるバイア ス電圧ＶｂはＶｂ′（Ｖｂ＞Ｖｂ′）まで低下し、温度変化により上昇した圧力 検出信号Ｖ′の最大値Ｖａ′は正常時の最大値Ｖａまで低下して、最大値Ｖａの 変化分ΔＶａ（＝Ｖａ′−Ｖａ）は、バイアス電圧Ｖｂの変化分ΔＶｂ（＝Ｖｂ −Ｖｂ′）により相殺される（ΔＶａ＝ΔＶｂ）。

【００３４】 かくして、本実施例によれば、圧電体１８の内周側に該圧電体１８と共に温度 変化するサーミスタ２６を設け、前記数１に示す如く、該サーミスタ２６の抵抗 値Ｒｃに応じたバイアス電圧Ｖｂをオペアンプ２１に予め印加する構成としたか ら、エンジンの熱がケーシング本体１２等を介して圧電体１８に加わり、該圧電 体１８にパイロ効果が生じて電荷信号Ｑが増大した場合でも、この電荷信号Ｑの 変化に伴う圧力検出信号Ｖの最大値変化分ΔＶａを、該圧電体１８の温度に応じ て変化するサーミスタ２６の抵抗値Ｒｃに基づいたバイアス電圧Ｖｂの変化分Δ Ｖｂによって効果的に相殺することができ、圧力検出信号Ｖの最大値Ｖａを安定 化して効率よく温度補正を行うことができ、燃焼圧の検出精度や信頼性等を大幅 に向上することができる。

【００３５】 また、従来技術による圧力検出装置に比して回路構成を大幅に簡素化すること ができ、製造コストを低減して、効率よく圧力検出を行うことができる。

【００３６】 次に、図５は本考案の第２の実施例を示し、本実施例の特徴は、バイアス電圧 調整手段としてポジスタ（正特性サーミスタ）を用いたことにある。なお、本実 施例では、上述した第１の実施例と同一の構成要素に同一の符号を付し、その説 明を省略するものとする。

【００３７】 図において、３１はコンタクトプレート１７の収容室１７Ｃ内に設けられた本 実施例によるバイアス電圧調整手段としてのポジスタを示し、該ポジスタ３１は 、その一端側がバイアス電源２４のプラス側に接続され、その他端側は分圧抵抗 ３２およびオペアンプ２１の非反転入力側に接続されている。そして、該ポジス タ３１は、圧電体１８と共に温度上昇してその抵抗値Ｒｃ1 を増大させることに より、バイアス電源２４から抵抗値Ｒ1 の分圧抵抗３２の両端にかかる電圧を低 下せしめ、バイアス電圧Ｖｂを調整するものである。

【００３８】 かくして、このように構成される本実施例でも、上述した第１の実施例とほぼ 同様の作用効果を得ることができる。

【００３９】 なお、前記各実施例では、バイアス電圧調整手段としてのサーミスタ２６，ポ ジスタ３１は、コンタクトプレート１７の収容室１７Ｃ内に設けるものとして述 べたが、本考案はこれに限らず、例えばサーミスタ，ポジスタを筒状に形成し、 圧電体１８の内周，外周に挿嵌して設けてもよく、あるいは圧電体１８とほぼ同 様の温度変化を受ける位置であれば、シリンダヘッド等のセンサ本体１１の外部 に設けてもよい。

【００４０】 また、前記各実施例では、ダイヤフラム１４の変位を受圧ロッド１５を介して 圧電体１８に伝達する圧力検出装置を例に挙げて説明したが、本考案はこれに限 らず、圧電体を直接ダイヤフラムに設け、該ダイヤフラムの変位を直接圧電体に 伝達する方式の圧力検出装置等、他の圧力検出装置にも用いることができる。

【００４１】 さらに、前記各実施例では、自動車用エンジンの燃焼圧検出に用いた場合を例 に挙げて説明したが、本考案はこれに限らず、油圧等の他の圧力検出にも広く適 用することができる。

【００４２】

【考案の効果】

以上詳述した通り、本考案によれば、電荷−電圧変換手段から出力される電圧 信号にバイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、圧電体の温度に基づい て該バイアス電圧印加手段からのバイアス電圧を調整するバイアス電圧調整手段 とを設ける構成としたから、周囲温度の変化等によって圧電体が温度変化した場 合に、バイアス電圧調整手段は、該圧電体の温度に基づいてバイアス電圧印加手 段から電荷−電圧変換手段に印加されるバイアス電圧を調整し、該電荷−電圧変 換手段からの電圧信号を調整することができる。

【００４３】 この結果、圧電体にパイロ効果が生じて電荷信号が増大した場合でも、この電 荷信号の変化に伴う電荷−電圧変換手段から出力された電圧信号の最大値の変化 分を、バイアス電圧調整手段によるバイアス電圧の変化によって相殺することが でき、電圧信号の最大値を安定化して効果的に温度補正を行うことができ、圧力 の検出精度や信頼性等を向上することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の第１の実施例による圧力検出装置を示
す縦断面図である。

【図２】図１中の圧力検出装置の回路構成を示す回路図
である。

【図３】図２中に示すオペアンプから出力された圧力検
出信号とバイアス電圧との関係を示す説明図である。

【図４】図３中に示すオペアンプからの圧力検出信号を
バイアス電圧の低下によって温度補正した状態を示す説
明図である。

【図５】本考案の第２の実施例による圧力検出装置の回
路構成を示す回路図である。

【図６】従来技術による圧力検出装置の回路構成を示す
回路図である。

【図７】圧電体の温度変化による圧力検出信号の変化を
示す説明図である。

【図８】図６中の回路から温度補正に係る部分を除いた
状態を示す回路図である。

【符号の説明】

１８ 圧電体 ２１ オペアンプ（電荷−電圧変換手段） ２４ バイアス電源（バイアス電圧印加手段） ２６ サーミスタ（バイアス電圧調整手段） ３１ ポジスタ（バイアス電圧調整手段） Ｑ 電荷信号 Ｖ 圧力検出信号（電圧信号） Ｖｂ バイアス電圧

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧力に応じた電荷信号を出力する圧電体
   と、該圧電体から出力された電荷信号を電圧信号に変換
   する電荷−電圧変換手段とからなる圧力検出装置におい
   て、前記電荷−電圧変換手段から出力される電圧信号に
   バイアス電圧を印加するバイアス電圧印加手段と、前記
   圧電体の温度に基づいて該バイアス電圧印加手段からの
   バイアス電圧を調整するバイアス電圧調整手段とを設け
   たことを特徴とする圧力検出装置。