WO2002044680A1

WO2002044680A1 - Charge amplifier for piezoelectric pressure sensor

Info

Publication number: WO2002044680A1
Application number: PCT/JP2001/010338
Authority: WO
Inventors: Masayoshi Matsui; Koji Okazaki
Original assignee: Ngk Spark Plug Co., Ltd.
Priority date: 2000-12-01
Filing date: 2001-11-27
Publication date: 2002-06-06
Also published as: US7042288B2; EP1338879B1; EP1338879A1; JP2002168719A; DE60142250D1; US20040075498A1; EP1338879A4

Description

圧電型圧力センサ用チヤ'

<技術分野〉

この発明は、一端がアースされた圧電型圧力センサにおける発生電荷を電圧信号に変換するチャージアンプに関する。

明

ぐ背景技術 >

取付対象にアースされた圧電型圧力センサ書における発生電荷を電圧信号に変換するチャージアンプは、従来よりオペアンプを用いて構成されるが、内燃機関（ェンジン）の燃焼圧力には正負の圧力変動があるため、両電源（正負一対の電源を有するものをいう。例えば ± 5 V) でオペアンプを動作させ、電圧信号に変換する手法が採られる。

この種のチャージアンプとしては、例えば、図 1 7に示すようなものがある。このチャージアンプ 5 0 1においては、一端が取付け対象物に接地された圧電型圧力センサ Sの他端に、抵抗器 5 0 3を介してオペアンプ 5 0 5の反転入力端子が接続されている。この反転入力端子は帰還コンデンサ 5 0 7を介して出力端子に接続されており、更に帰還コンデンサ 5 0 7には、帰還抵抗器 5 0 9が並列接続されている。一方、非反転入力端子は接地されている。そして、オペアンプ 5 0 5の正の電源入力端子には + 5 Vの電源が接続され、負の電源入力端子には一 5 Vの電源が接続され、これらの両電源によりオペアンプ 5 0 5が駆動される。しカゝしながら、自動車の内燃機関の燃焼圧力を測定する場合にはプラス電源のバッテリ一から電力供給されるのが一般的であり、そうした場合において両電源でオペアンプを使用するには、 D C— D Cコンバータなどでマイナス電源の回路を構成する必要があるため、コストアップにつながる。

<発明の開示 > 本発明は、こうしたことを背景としてなされたものであり、一端がアースされた圧電型圧力センサにおける発生電荷を電圧信号に変換するチャージアンプを低コストで作動可能とすることを目的とする。

上記目的達成のためになされた本発明における第一の構成のチャージアンプは、一端がアースされた圧電型圧力センサの他端に反転入力端子が接続されたォペアンプと、オペアンプの反転入力端子と出力端子とを接続する帰還コンデンサとを備え、圧電型圧力センサにおける発生電荷を電圧信号に変換するチャージアンプであって、オペアンプは、単電源で駆動され、オペアンプの非反転入力端子にはオフセット電圧が印加されている。

即ち本発明における第一の構成のチャージアンプにおいて、オペアンプのプラス側電源入力端子がプラス電源に接続され、マイナス側電源入力端子が接地されることにより、当該オペアンプに単電源が供給される。さらに、オペアンプの非反転入力端子には、プラス電源電圧より低くアース電位よりも高いオフセット電圧が印加される。これにより、オペアンプに単電源のみが供給される場合でも、オフセット電圧を中心に、正負両方向の圧力変動を電圧信号に変換できるようになる。そして、この様に構成されたチャージアンプによれば、両電源を必要としないため、コストを抑制することができる。

ここで、圧電型圧力センサが例えば自動車の内燃機関に取り付けられて筒内圧の検出に用いられる場合など、劣悪な環境に置かれた場合、圧電型圧力センサの絶縁抵抗、即ち圧電型圧力センサの両端間の抵抗が低下する場合がある。こうした場合には、絶縁抵抗の低下により発生するリーク電流の影響で、チャージアンプの出力信号が電源電圧に張り付いてしまい、チャージアンプが機能しなくなる場合がある。

そこで、本発明における第二の構成では、オペアンプの反転入力端子と圧電型圧力センサの他端（即ち、アースされた端子とは反対側の端子）との間に結合コンデンサを設けると良い。この様にすれば、圧電型圧力センサの絶縁抵抗が低下した場合であっても、リーク電流の影響でチャージアンプの出力信号が電源電圧に張り付いてしまうことを抑制できる。 ' この場合、結合コンデンサの静電容量が大きいほど、リーク電流の抑制に高い効果を発揮するので、本発明における第三の構成では、結合コンデンサとして、その静電容量が圧電型圧力センサの静電容量以上であるものを用いると良い。伹し、静電容量を高くした場合、チャージアンプの応答遅れが生じるため、実際の使用上の応答時間を 1〜2秒と考えると、結合コンデンサの静電容量は、 1 0 Z F以下であることが望ましい。

ところで、圧電型圧力センサ側のアース電位とチャージアンプ側のアース電位とがずれている場合にはチャージアンプの出力信号に誤差が生じる。そこで、圧電型圧力センサ側のアース電位とチャージアンプ側のアース電位とを一致させるために、本発明における第四の構成では、圧電型圧力センサのアースされた一端と当該チャージアンプのアース端子とを電気的に接続するリ一ド線を設けると良い。

こうすれば、圧電型圧力センサ側のアース電位とチャージアンプ側のアース電位との電位差を抑制して、チャージアンプの出力信号の精度を高めることができる。

また、オペアンプとしては、本発明における第五の構成では、入力部に F E T を用いたもの（いわゆる F E T入力タイプ）を使用すると好ましく、そうすればオペアンプの入力インピーダンスが高いものとなるため、確実に圧電型圧力センサにおける発生電荷を電圧信号に変換することができる。

なお、以上の発明（第一〜第五の構成）に係るチャージアンプは、点火プラグの取り付け座に備えた圧電素子により点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するための圧電型圧力センサに用いると、高い効果を発揮する。即ち、自動車においては、一般にプラス電源のバッテリーから電力供給が為されるため、本発明における第一の構成に係るチャージアンプに適しており、また、この様な圧電型圧力センサは劣悪な環境に置かれることになるため、その絶縁抵抗が低下しゃすく本発明における第二の構成に係るチャージァンプの使用に好適である。く図面の簡単な説明 >

図 1は、第 1実施形態のチャージアンプを示す電気回路図である。

図 2は、圧電型圧力センサの使用形態を示す説明図である。

図 3は、圧電型圧力センサが内蔵された点火ブラグを示す説明図である。

図 4は、第 2実施形態のチャージァンプを示す電気回路図である。

図 5は、従来例のチャージアンプの出力波形を圧電型圧力センサの絶縁抵抗毎に示す説明図である。

図 6は、第 1実施形態のチャージアンプの出力波形を示す説明図である。

図 7は、結合コンデンサの静電容量を 1 μ Fとした場合における第 2実施形態のチャージアンプの出力波形を示す説明図である。

図 8は、結合コンデンサの静電容量を 1 0 0 i Fとした場合における第 2実施形態のチヤージァンプの出力波形を示す説明図である。

図 9は、チャージアンプの出力波形の振幅と圧電型圧力センサの絶縁抵抗との関係を示すグラフである。

図 1 0は、セラミックコンデンサのインピーダンス一周波数特性を示すグラフである。

図 1 1は、電解コンデンサのインピーダンス一周波数特性を示すグラフである。図 1 2は、従来例のチャージアンプを介して得られる、内燃機関の燃焼波形を示す説明図である。

図 1 3は、第 1実施形態のチャージアンプを介して得られる、内燃機関の燃焼波形を示す説明図である。

図 1 4は、第 2実施形態のチャージアンプを介して得られる、内燃機関の燃焼波形を示す説明図である。

図 1 5は、燃焼波形のピーク値と圧電型圧力センサの絶縁抵抗との関係を示すグラフである。

図 1 6は、変形例としての圧電型圧力センサを示す説明図である。

図 1 7は、従来例のチャージアンプの構成を示す電気回路図である。

なお、図中の符号、 1， 1 0 1はチャージアンプ、 5はオペアンプ、 7は帰還コンデンサ、 2 1は内燃機関、 2 3は点火ブラグ、 2 3 aは主体金具、 2 3 bは出力ケーブル、 2 5は燃焼室、 1 0 3は結合コンデンサ、 S， S ' は圧電型圧力センサである。

<発明を実施するための最良の形態 >

以下に、本発明の実施形態例を図面と共に説明する。

図 1は、第 1実施形態として、内燃機関における燃焼圧力を電気信号に変換するチャージアンプ 1を示している。なお、このチャージアンプ 1は、後述するェンジン制御装置（E C U ) 2 7の内部に形成されている。

図 1に示す様に、圧電型圧力センサ Sの一端は接地されており、圧電型圧力センサ Sの他端には、当該チャージアンプ 1の入力端子 i nおよび抵抗器 3を介してオペアンプ 5の反転入力端子が接続されている。このオペアンプ 5は、その入力部には F E Tが用いられたものである。

ォペアンプ 5の反転入力端子には、帰還コンデンサ 7を介して自己の出力端子が接続されている。また帰還コンデンサ 7には、帰還抵抗器 9が並列接続されているが、この帰還抵抗器 9は、圧電素子の温度ドリフトを押さえるためのものである。

またオペアンプ 5の非反転入力端子は抵抗器 1 1を介して + 5 Vの電源に接続されると共に抵抗器 1 3を介して接地されている。即ち直列に接続された抵抗器 1 1 , 1 3により電源電圧が分圧され、この分圧電圧がオフセット電圧として非反転入力端子に印加されている。そして、オペアンプ 5の出力端子は、チャージアンプ 1の出力端子 o u tに接続されている。

このチャージアンプ 1においては、オペアンプ 5は単電源で動作するよう用いられており、オペアンプ 5の正の電源入力端子には + 5 Vの電源が接続され、負の電源入力端子は接地されている。

圧電型圧力センサ Sは、図 2、図 3に示す様に、内燃機関 2 1の点火プラグ 2 3の取り付け座に設けられ、内燃機関 2 1への点火ブラグ 2 3の締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関 2 1の燃焼室 2 5の内部圧力（即ち、筒内圧）を検出するものである。

点火プラグ 2 3は、図 3に示す様に、当該点火プラグ 2 3を内燃機関 2 1のボディに取り付けるためのねじ部が形成された主体金具 2 3 aを有している。主体金具 2 3 aは、当該点火ブラグ 2 3の取り付け座であり、点火プラグ 2 3は主体金具 2 3 aを介して内燃機関 2 1のボディに締結される。

圧電型圧力センサ Sは、主体金具 2 3 aの内部に内蔵されており、筒内圧の変化に応じて変化する点火プラグ 2 3の締め付け荷重に対応した電荷、即ち筒内圧に応じた発生電荷を、出力ケーブル 2 3 bを介して出力する。即ち、本実施例の圧電型の圧力センサ Sは、点火プラグ 2 3に一体に設けられた所謂プラグ一体型圧力センサ（P G P S ) である。なお、圧電型圧力センサ Sを構成する圧電素子は、 P b T i 0₃からなるものである。

圧電型圧力センサ Sの一端は、主体金具 2 3 aを介して内燃機関 2 1のボディにアースされており、他端は、出力ケーブル 2 3 bを介して、エンジン制御装置

( E C U) 2 7内のチャージアンプ 1の入力端子 i nに接続されている。なお出力ケーブル 2 3 bは、発生電荷を出力するためのリード線に加え、内燃機関 2 1 のボディにアースされた電極と E C U 2 7のアース（例えば E C U 2 7の筐体）とを接続するためのリード線も備えている。

この様に、本実施形態のチャージアンプ 1においては、オペアンプ 5のプラス側の電源入力端子がプラス電源（+ 5 V) に接続され、マイナス側の電源入力端子が接地されることにより、当該オペアンプ 5に単一電源が供給される。さらに、オペアンプ 5の非反転入力端子には、プラス電源電圧より低くアース電位よりも高いオフセット電圧が印加される。これにより、オペアンプ 5を単電源で駆動するにも拘わらず、オフセット電圧を中心に、正負両方向の圧力変動を電圧信号に変換できる。つまり、この様に構成されたチャージアンプ 1によれば、両電源を必要としないため、コストを抑制することができる。

また、圧電型圧力センサ Sのアースされた一端は、出力ケーブル 2 3 bを構成するリード線を介して、当該チャージアンプ側のアースと接続されているため、圧電型圧力センサ側のアース電位とチャージアンプ側のアース電位との電位差が抑制され、チャージアンプ 1の出力信号の精度が高まる。

また、オペアンプ 5には、 F E T入力タイプのものが使用されているので、碓実に圧電型圧力センサ Sにおける発生電荷を電圧信号に変換することができる。次に本発明の第 2実施形態にっき説明する。

図 4は、第 2実施形態としてのチャージアンプ 1 0 1を示している。このチヤージアンプ 1 0 1は、第 1実施形態のチャージアンプ 1において、オペアンプ 5 の反転入力端子と圧電型圧力センサ Sとの間に結合コンデンサ 1 0 3を設けたものとして構成されている。即ち、オペアンプ 5の反転入力端子と圧電型圧力センサ Sとの間には、抵抗器 3が設けられているが、この抵抗器 3と直列に結合コンデンサ 1 0 3が設けられている。なお、本実施形態に関しては、上記以外の点については第 1実施形態のチャージアンプ 1と同様であるので、説明を省略する。さて圧電型圧力センサ Sが、本実施形態の様に自動車の内燃機関 2 1に取り付けられてその筒内圧の検出に用いられる場合など、劣悪な環境に置かれた場合、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗、即ち圧電型圧力センサ Sの両電極間の抵抗が一時的に低下する場合がある。こうした場合には、抵抗器 3、入力端子 i nを介して圧電型圧力センサ S側に向けてリーク電流が発生する。反転入力端子と非反転入力端子の間にはバーチャルショート（仮想短絡）と呼ばれる関係が成り立つているため、リーク電流の影響でチャージアン;/の出力信号が上昇し、最終的には電源電圧に張り付いてしまい、チャージアンプが機能しなくなる場合がある。そこで、本実施形態のチャージアンプ 1 0 1においては、オペアンプ 5の反転入力端子と圧電型圧力センサ Sとの間に結合コンデンサ 1 0 3を備えている。このため、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗（即ち両電極端子間の絶縁抵抗）が低下した場合であっても、リーク電流を抑制することができ、チャージアンプ 1 0 1 の出力信号がリーク電流の影響で上昇することを抑制できる。

なお、結合コンデンサ 1 0 3の静電容量は、圧電型圧力センサ Sの静電容量以上であると好ましく、リーク電流の抑制に効果的である。但し、第 2実施例のチヤージアンプ 1 0 1において、電源投入時にオペアンプ 5は、反転入力端子と非反転入力端子とが同電位になるように働くが、結合コンデンサ 1 0 3がある場合には抵抗器 R 9を介して結合コンデンサ 1 0 3に充電を行う必要があるため、結合コンデンサの静電容量を大きくすると、チャージアンプの応答遅れが発生してしまう。このため、実使用上での応答時間を 1〜 2秒程度と考えると、結合コンデンサ 1 0 3の静電容量は 1 0 μ F以下が望ましい。以下、本実施形態のチャージアンプ 1 0 1の奏する効果を確かめるために行つた実験の結果について説明する。

図 5は、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗を 1 から 1 0 0 Ωまで段階的に変化させ、各抵抗値について、従来のチャージアンプ 5 0 1の入力端子 i nに周波数 -振幅が一定の入力信号を入力し、出力端子 o u tから出力される信号を調べた結果を示す図である。また、図 6は第 1実施形態のチャージアンプ 1について行った同様の実験の結果を示す図であり、図 7、図 8は第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3の静電容量を夫々 1 μ F (図 7 )、 1 0 0 μ ¥ (図 8 ) と設定して行った同様の実験の結果を示す図である。

なお図 9は、「従来」のチャージアンプ 5 0 1の場合、「第 1実施形態」のチヤージアンプ 1の場合、「第 2実施形態」のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3の静電容量を 1 μ Fとした場合の各場合について、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗と、チャージアンプ出力幅（即ち出力信号の振幅）との関係を示す図である。

図 5に示す様に、従来のチャージアンプ 5 0 1の場合、絶縁抵抗が 1 0 k Ω程度まで低下しても、出力信号には殆ど影響がないことが判る。

次に図 6に示す様に、第 1実施形態のチャージアンプ 1の場合、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗が 1 0 Μ Ω程度になると出力信号の上昇が確認され（伹し、図 9にも示す様に、出力信号の振幅には殆ど影響がない。）、 1Μ Ω以下の領域では出力がほぼ電源電圧に張り付いてしまうことが判る。

また図 7に示す様に、第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3を 1 μ Fのものにした場合、単電源でもあるにも拘わらず、出力信号の持ち上がりはない。絶縁抵抗の低下が 1 Μ Ω程度までであれば、殆ど出力結果に問題ないことが分かる。また、絶縁抵抗が 1 0 0 k Ωに低下しても出力信号の振幅の大きさは、若干小さくなつているがあまりは問題はない。そして、それ以下の領域では振幅の低下が確認できた。

そして、図 8に示す様に、第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3を 1 0 0 Z Fのものにした場合、基本的には図 7と同様な結果となったが、振幅低下が発生する領域が低抵抗側にシフトしていることが判る。具体的には、絶縁抵抗が 1 0 k Ωに低下しても、出力信号の振幅には殆ど影響が及ばない。

従って、オペアンプ 5の反転入力端子と圧電型圧力センサ Sとの間に設ける結合コンデンサ 1 0 3の静電容量が大きいほど、絶縁抵抗の低下による出力信号への影響を抑制することができることが分かる。但し、応答時間についての上述の理由から 1 0 F以下が適当と考える。

なお、結合コンデンサ 1 0 3としては、セラミックコンデンサを用いている。また結合コンデンサ 1 0 3として、電解コンデンサを用いることも可能である。図 1 0は、セラミックコンデンサのインピーダンス一周波数特性の一例を示す図であり、図 1 1は電解コンデンサのインピーダンス一周波数特性の一例を示す図である。

次に図 1 2〜図 1 4は、内燃機関 2 1の筒内圧を測定して得られた燃焼波形を示す図である。筒内圧の測定は、圧電型圧力センサ Sの両電極間の抵抗値（即ち絶縁抵抗）を、 1 0 から 1 0 0 Ωまで段階的に変化させ、各抵抗値について行った。このうち、図 1 2は従来のチャージアンプ 5 0 1による測定結果、図 1 3は第 1実施形態のチャージァンプ 1による測定結果、図 1 4は第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3として 1 μ Fのセラミックコンデンサを使用した場合の測定結果の一部を抽出して示している。図 1 2〜図 1 4において、縦軸は、チャージアンプの出力信号を圧電型圧力センサ Sにおける発生電荷（Output Electric Charge) に換算して示しており、 1目盛が 1 0 0 O p Cに相当する。また、図 1 5は、図 1 2〜図 1 4に示した燃焼波形のピーク値を示すものである。

図 1 2、図 1 5に示す様に、従来のチャージアンプ 5 0 1の場合、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗の低下が 1 0 k Ω程度までであれば、ほぼ出力結果は変化せず良好であつたが、絶縁抵抗が 1 k Ωになると、出力信号がマイナス電源の電圧 (- 5 V) に張り付き、測定不可能となった。

また、図 1 3、図 1 5に示す様に、第 1実施形態のチャージアンプ 1の場合、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗の低下が 1 0ΜΩ程度までであれば、ほぼ出力結果は変化せず良好であつたが、絶縁抵抗が 1 ΜΩになると、出力信号がプラス電源の電圧（+ 5 V) に張り付き、測定不可能となった。

—方、図 1 4、図 1 5に示す様に、第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1において結合コンデンサ 1 0 3を I Fとした場合には、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗の低下が 100 k Ω程度までであれば、ほぼ出力結果は変化せず問題なかつた。

この様に、第 2実施形態のチャージアンプ 1 0 1によれば、単電源で動作できるだけでなく、ォペアンプ 5の反転入力端子と圧電型圧力センサ Sとの間に結合コンデンサ 1 0 3を備えているため、圧電型圧力センサ Sの絶縁抵抗（両電極端子間の絶縁抵抗）が低下した場合であっても、従来のチャージアンプ 5 0 1と同様に、良好に燃焼波形の測定を行うことができる。

<産業上の利用可能性 >

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の態様をとることができる。

例えば、上記実施形態では、圧電型圧力センサ Sの圧電素子が P b T i o₃からなるものとして説明したが、これに限られるものではない。この他、 B a T i 0₃, L i T a 0₃, P b (Z r -T i ) 0₃， P b N b₂0₆, L i N b 0₃, G a P C₄などを成分とする圧電素子からなる圧電型圧力センサについても、本発明のチヤ一ジアンプを適用することができる。

また、上記実施形態では、帰還コンデンサ 7に対して帰還抵抗器 9を並列接続するものとして説明したが、これに限られるものではない。例えば、帰還抵抗 9 に替え、帰還コンデンサ 7の両端を断続させるスィツチを設けても良い。

また、上記実施形態では、圧電型の圧力センサ Sとして、点火プラグ 2 3に一体に設けられたいわゆるプラグ一体型圧力センサ（P G P S ) を用いるものとして説明したが、これに限られるものではなく、例えば図 1 6に示す様に、点火プラグとは別体に構成された座金型燃焼圧センサ（G P S ) S ' についても本発明のチャージアンプを適用することができ、同様の効果が得られる。

なお、この座金型燃焼圧センサ S，は、点火プラグの取り付け座とエンジン 2 1との間にて点火プラグの締め付けにより固定され、その状態で点火プラグの締め付け荷重の変化を検出することで内燃機関の筒内圧を検出するものである。座金型燃焼圧センサ S ' は、点火プラグの取り付け座とエンジンヘッドとの間をシールするガスケット 2 0 1などを備え、シールド線 2 0 5を介して圧電素子での発生電荷を外部に出力するよう構成されている。本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとつて明らかである。

本出願は、 2000年 12月 01日出願の日本特許出願（特願 2000— 367166) に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims

請求の範囲

1 . 一端がアースされた圧電型圧力センサの他端に反転入力端子が接続されたオペアンプと、

該ォペアンプの反転入力端子と出力端子とを接続する帰還コンデンサと、を備え、前記圧電型圧力センサにおける発生電荷を電圧信号に変換するチヤ一ジアンプであって、

該オペアンプは、単電源で駆動され、

該オペアンプの非反転入力端子にはオフセット電圧が印加されている事、を特徴とするチヤ一，

2 . 前記オペァンプの反転入力端子と前記圧電型圧力センサの前記他端との間に結合コンデンサを備えた事、

を特徴とする請求の範囲第 1項に記載のチヤ一-

3 . 前記結合コンデンサの静電容量は、前記圧電型圧力センサの静電容量以上である事、

を特徴とする請求の範囲第 2項に記載のチヤ一-

4 . 前記圧電型圧力センサの前記アースされた一端と当該チヤ

のアース端子とは、リード線を介して電気的に接続されている事、

を特徴とする請求の範囲第 1項〜第 3項の何れかに記載のチヤ一、：

5 . 前記オペアンプは、入力部に F E Tを用いたものである事

を特徴とする請求の範囲第 1項〜第 4項の何れかに記載のチヤ一、：

6 . 前記圧電型圧力センサは、自動車の内燃機関に用いられる点火プラグの取り付け座に設けられ、点火ブラグの締め付け荷重の変化を検出することで內燃機関の筒内圧を検出するものである事、

を特徴とする請求の範囲第 1項〜第 5項の何れかに記載のチヤ一、: