WO2015147059A1 - 圧力検出装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a pressure detection device suitable for use in detecting pressure such as engine combustion pressure.
- the detection device includes a processing circuit that converts a detection signal from the sensor into a voltage having a waveform similar to the change in physical quantity by integration by an integration circuit. ing.
- FIG. 9 shows an example of a processing circuit of a pressure detection device that detects the combustion pressure of the engine as a physical quantity.
- the processing circuit 100 shown in FIG. 9 includes two operational amplifiers 104 and 110, which are an integration circuit that integrates a detection signal and an amplification circuit that amplifies an output signal integrated by the integration circuit.
- One terminal of the piezoelectric element 101 for detecting pressure is connected to the inverting input terminal of the operational amplifier 104 via the conductive portion 102 and the capacitor 103 of the processing circuit 100, and the other terminal of the piezoelectric element 101 is electrically conductive. It is connected to the GND of the processing circuit 100 via the unit 102.
- the charge signal Qi from the piezoelectric element 101 is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier 104.
- the reference voltage Vr from the reference power supply 105 by the regulator is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 104.
- the reference power supply 105 outputs the reference voltage Vr by stabilizing the power supply voltage Vdd applied from the outside.
- a charge capacitor 106 and a discharge resistor 107 are connected between the inverting input terminal of the operational amplifier 104 and the output terminal of the operational amplifier 104.
- an output signal Vout01 obtained by integrating the charge signal Qi and converting it to a voltage is obtained from the output terminal of the operational amplifier 104.
- the output signal Vout01 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 110 that becomes an amplifier circuit via the capacitor 111.
- This non-inverting input terminal is connected to the reference voltage Vr via the resistor 112.
- the inverting input terminal of the operational amplifier 110 is connected to the reference voltage Vr via the resistor 113 and is connected to the output terminal via the resistor 114.
- an amplified output signal Vout02 is obtained from the output terminal of the operational amplifier 110.
- the piezoelectric element 101 is housed in a casing 120 of the detection device.
- the casing 120 is grounded in common with the engine (not shown). Is done.
- FIG. 10A schematically shows a differential waveform of the charge signal Qi when the piezoelectric element 101 detects a change in combustion pressure at the period T0.
- This charge signal Qi passes through the capacitor 103 shown in FIG. 9 and is given to the inverting input terminal of the operational amplifier 104 of the processing circuit 100.
- FIG. 10B shows an example of the voltage waveform of the output signal Vout01 obtained from the output terminal of the operational amplifier 104.
- FIG. 10C shows an example of a voltage waveform of the output signal Vout02 output from the output terminal of the operational amplifier 110.
- the operational amplifier 110 operates as a non-inverting amplifier circuit using the reference voltage Vr as an operation reference, and the output signal Vout02 is in phase with the input output signal Vout01, and the amplitude thereof is amplified by a predetermined amplification factor. It becomes.
- FIG. 11A is the same as FIG. 10A described above, and schematically shows a differential waveform of the charge signal Qi when the piezoelectric element 101 detects a change in combustion pressure at the period T0.
- FIG. 11A radiation noise generated from an engine (not shown) equipped with a pressure detection device, electromagnetic induction noise riding on the conductive portion 102 connecting the piezoelectric element 101 and the processing circuit 100, or the like.
- the charge signal Qi on which the noise component Ni having various frequency components is superimposed is shown.
- FIG. 11B schematically shows an example of the voltage waveform of the output signal Vout01 output from the operational amplifier 104 when affected by external noise.
- the non-inverting input terminal of the operational amplifier 104 is connected to the reference voltage Vr from the reference power supply 105.
- the reference power supply 105 is a power supply by a regulator and generates a DC stable voltage.
- the reference voltage Vr applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 104 is stable in both direct current and alternating current, and is hardly affected by external electrical noise. Therefore, the charge signal Qi including the noise component Ni is applied to the inverting input terminal of the operational amplifier 104, while the stable reference voltage Vr including almost no noise component is applied to the non-inverting input terminal.
- the operational amplifier 104 amplifies the differential signal between the inverting input terminal and the non-inverting input terminal, and the output signal converted into a voltage by integrating the charge signal Qi is a noise component Ni included in the charge signal Qi. Becomes an output signal Vout01 on which the amplified noise component N01 is superimposed.
- FIG. 11C schematically shows an example of the voltage waveform of the output signal Vout02 obtained from the output terminal of the operational amplifier 110. Since the operational amplifier 110 amplifies the output signal Vout01 including the noise component N01, the output signal Vout02 becomes an output including the noise component N02 obtained by amplifying the noise component N01. Therefore, the output signal Vout02 is a signal buried in the noise component N02.
- the processing circuit 100 in the pressure detection device also amplifies the noise component, so that the S / N ratio of the output signal is deteriorated. There is a problem that the detection accuracy is greatly reduced.
- a method of removing the noise component N02 of the output signal Vout02 a method of providing a filter circuit after the operational amplifier 110 and attenuating only the noise component N02 by this filter circuit to improve the S / N ratio can be considered.
- external noise includes various frequency components, so it is not easy to remove it with a filter circuit.
- the frequency component of the charge signal Qi is close to the noise component, it is difficult to remove it with a filter circuit because only the noise component cannot be attenuated.
- Patent Document 1 discloses that the noise component is supplied to the first stage via a voltage dividing resistor. Addition / subtraction to the output signal of the integration circuit and input to the amplifier circuit of the next stage, AD conversion of the output signal of this amplifier circuit is monitored by a computer, the attenuator is controlled so that the noise component is minimized
- a signal processing method is disclosed in which induced noise mixed in a detection signal is removed, that is, a noise component from a magnetic sensor that detects a change in magnetism as a physical quantity is reduced.
- Patent Document 1 the signal processing method for noise removal disclosed in Patent Document 1 has the following problems.
- Patent Document 1 is a processing method for adding / subtracting noise components to / from a signal, there is a possibility that a considerable error is included in noise removal, and it is not easy to obtain a highly accurate detection signal.
- the noise level is determined from the detection signal of the waiting sensor, so there is no problem when the noise is stable, but the noise magnitude, frequency component, etc. fluctuate in real time.
- the detection device becomes large. As a result, the system tends to increase in size and complexity of operation, and the manufacturing cost increases and the maintenance becomes complicated.
- An object of the present invention is to provide a pressure detection device that solves such problems in the background art.
- the present invention outputs the detection signal Qi corresponding to the pressure P by receiving the pressure P and outputs from the pressure detection element 21 (21a, 21b, 21c).
- the pressure detection device 10 includes a processing circuit 30 that processes and outputs the detection signal Qi, and a predetermined voltage value is obtained by performing only transformation on the power supply voltage Vdd applied from an external power supply.
- a transformer circuit 35 that obtains a first reference voltage Vr1, an integration circuit 31 that converts the detection signal Qi into integration by integrating the detection signal Qi using the first reference voltage Vr1 as an operation reference, and a second reference that has a predetermined voltage value.
- a processing circuit 30 having at least one amplification circuit 32 for amplifying the output signals Vout1 from the integration circuit 31 using the voltage Vr2 as an operation reference is provided. It is characterized in.
- the transformer circuit 35 is constituted by a voltage dividing resistor circuit in which a plurality of voltage dividing resistors R1 and R2 are combined.
- the integrating circuit 31 is configured by an operational amplifier circuit that operates with a single power source and differentially amplifies the detection signal Qi and the first reference voltage Vr1.
- the second reference voltage Vr2 can be obtained from the output of the second reference power supply 34 using a regulator that stabilizes the power supply voltage Vdd.
- the second reference voltage Vr2 can also be obtained from the transformer circuit 35.
- a voltage follower circuit may be provided at the final stage of the processing circuit 30.
- the processing circuit 30 can be constituted by an integrated circuit.
- the transformer circuit 35 may be arranged outside the integrated circuit or may be built in the integrated circuit.
- a charge signal (Qi) obtained from the piezoelectric element 21 used as the pressure detection element can be used as the detection signal Qi.
- the pressure detection device 10 is suitable for use when detecting the combustion pressure P of the engine 1 mounted on the automobile.
- the pressure detection device 10 according to the present invention configured as described above has the following remarkable effects.
- a transformer circuit 35 that obtains a first reference voltage Vr1 having a predetermined voltage value by performing only transformation on a power supply voltage Vdd applied from an external power supply, and the first reference voltage Vr1 as an operation reference.
- An integration circuit 31 that converts the detection signal Qi into a voltage waveform by integrating, and at least one that amplifies the output signal Vout1 from the integration circuit 31 using the second reference voltage Vr2 having a predetermined voltage value as an operation reference. Since the processing circuit 30 having the above amplifier circuits 32 is provided, the noise component due to the disturbance is simultaneously superimposed on both the first reference voltage Vr1 and the detection signal Qi. Therefore, if the noise components cancel each other, the noise components superimposed on the necessary signals can be reduced, and highly accurate pressure detection can be realized. In addition, since complicated digital equipment such as a computer for removing noise is not required, it can be performed at a low cost, and maintenance can be facilitated, and further reduction in size and weight can be realized.
- the transformer circuit 35 is constituted by a voltage dividing resistor circuit combining a plurality of voltage dividing resistors R1 and R2, it can be implemented with a simple circuit configuration, and a stabilizing circuit such as a regulator can be provided. Since it can be made unnecessary, further implementation and cost reduction can be achieved.
- the integration circuit 31 when configured, it is generated instantaneously if it is configured by an operational amplifier circuit that operates with a single power source and differentially amplifies the detection signal Qi and the first reference voltage Vr1. Even if it is a waveform or a noise component that fluctuates from time to time, it is possible to maintain high detection accuracy and obtain a highly effective noise reduction effect because it dynamically cancels the change of the noise component in real time. it can. As a result, the integration process for the detection signal Qi can be performed without being affected by the noise component, and can be realized easily and at low cost by a relatively simple circuit.
- the operation of the amplifier circuit can be stabilized by obtaining it from the output of the second reference power supply 34 using a regulator that stabilizes the power supply voltage Vdd. Therefore, a stable output signal with little voltage level fluctuation can be obtained. That is, since the amplification process can be performed on the output signal in which the noise component is reduced in the previous stage, the amplification process that is not affected by the noise component can be performed.
- the transformer circuit 35 can be shared and the regulator can be made unnecessary. It can contribute to cost reduction. Although there are aspects that are easily affected by noise components at this time, the output signal in the previous stage has a configuration that does not substantially contain noise components. 10 can be configured.
- the output of the final stage can be reduced in impedance, so that a problem that noise components are superimposed on the output signal of the final stage can be avoided.
- the transformer circuit 35 may be arranged outside the integrated circuit or may be incorporated in the integrated circuit. That is, since the noise reduction effect can be ensured in any state, for example, even in the case of a limited installation space, the degree of freedom in design in assembling can be increased. In particular, when it is built in an integrated circuit, the number of parts can be reduced, so that the reliability of the pressure detection device 10 can be improved. Further, the variation in the resistance value ratio of the built-in resistor is reduced, and the variation in the voltage value of the first reference voltage can be reduced.
- FIG. 1 Schematic configuration diagram showing an engine equipped with a pressure detection device according to a preferred embodiment of the present invention, Sectional drawing which shows the structure of the detection part of the same pressure detection apparatus, 1 is a circuit diagram of a pressure detection device according to a first embodiment of the present invention;
- FIG. 5 is a waveform diagram of combustion pressure and charge signal, etc., for explaining the operation of the pressure detection device according to the first embodiment of the present invention;
- FIG. 5 is a waveform diagram of an output signal for explaining the operation of the pressure detection device according to the first embodiment of the present invention
- the circuit diagram which shows the modification of the pressure detection apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention A circuit diagram of a pressure detection device according to a second embodiment of the present invention, The circuit diagram which shows the modification of the pressure detection apparatus which concerns on 3rd Embodiment of this invention, Circuit diagram for explaining the processing circuit of the pressure detection device according to the background art, Waveform diagram explaining the basic operation of the processing circuit of the pressure detection device, Waveform diagram explaining the operation when a noise component is included in the detection signal of the pressure detection device,
- reference numeral 1 denotes an automobile engine equipped with a pressure detection device 10.
- the engine 1 includes a cylinder block 2 having a cylinder 2a, a piston 3 that reciprocates in the cylinder 2a, and a cylinder head 4 that is coupled to the cylinder block 2 and constitutes a combustion chamber C together with the cylinder 2a, the piston 3, and the like. I have.
- the engine 1 is equipped with a spark plug 5 that ignites and explodes an air-fuel mixture in the combustion chamber C when mounted on the cylinder head 4, and injects fuel into the combustion chamber C when mounted on the cylinder head 4.
- the fuel injection device 7 is provided.
- the fuel injection device 7 includes a main body portion 7a located outside the combustion chamber C, and a cylindrical tip portion whose front end surface faces the combustion chamber C by being integrally provided on the front end side with respect to the main body portion 7a. 7b.
- the pressure detection device 10 includes a detection unit 20 provided at the distal end portion 7 b of the fuel injection device 7 and a processing circuit 30 connected to the detection unit 20 via the conductive unit 11.
- the detection unit 20 is configured in a ring shape and has a function of detecting the internal pressure (combustion pressure: arrow P) in the combustion chamber C.
- the conductive portion 11 can be a metal rod or cable.
- the processing circuit 30 takes in the detection signal obtained by the detection unit 20 via the conductive unit 11 and outputs the output signal Vout by performing signal processing. This output signal Vout is applied to an external engine control unit (not shown).
- FIG. 2 is a cross-sectional view in which the vicinity of the piezoelectric element disposed inside the detection unit 20 is cut in the radial direction of the detection unit 20.
- the illustrated detection unit 20 includes piezoelectric elements 21 a, 21 b, and 21 c as pressure detection elements configured by three, and is a ring-shaped casing that is a conductive casing of the detection unit 20. Arranged in the gap between the front outer casing 22 and the front inner casing 23 at substantially equal intervals along the circumferential direction.
- the description of the piezoelectric element 21 includes three piezoelectric elements 21a, 21b, and 21c.
- insulating spacers 24a to 24c are interposed in the gaps between the piezoelectric elements 21a, 21b, and 21c, and the piezoelectric elements 21a, 21b, and 21c are arranged at substantially equal intervals along the circumferential direction. To arrange. With this configuration, the combustion pressure P of the engine 1 can be received by the piezoelectric element 21.
- the spacers 24a and 24c are provided with spacer through holes 26a and 26b through which connection terminals 25a and 25b for transmitting a detection signal from the piezoelectric element 21 to the outside. Accordingly, the connection terminals 25a and 25b penetrate the spacer through holes 26a and 26b, and are insulated from the front outer casing 22 and the front inner casing 23 by the spacers 24a and 24c. Furthermore, the electrodes of the three piezoelectric elements 21a to 21c are connected in parallel inside the detection unit 20, and are electrically connected to the processing circuit 30 via the connection terminals 25a and 25b and the electric member 11 (see FIG. 1). ).
- the spacers 24a to 24c can be made of ceramics (alumina, zirconia) or the like, the material is not limited as long as it is an insulating material.
- an annular insulating film 27 is disposed on the entire circumference of the outer periphery of the front inner casing 23 to insulate the front inner casing 23 from an electrode (not shown) inside the piezoelectric element 21 disposed in the circumferential direction. .
- the pressure from the outside can be uniformly received in a balanced manner, and highly accurate pressure detection is possible. It becomes.
- the tip portion 7b of the fuel injection device 7 described above is disposed in the cavity 28, so that fuel is injected into the combustion chamber C (FIG. 1).
- the detection unit 20 of the present embodiment exemplifies three piezoelectric elements 21a to 21c, the number of piezoelectric elements 21 is not limited and may be more or less.
- the form in which the detector 20 is attached to the engine 1 is not limited to the form in which the detector 20 is attached to the tip 7b of the fuel injection device 7.
- the detector 20 of the pressure detector 10 is independently a cylinder. A form attached to the head 4 may be used.
- the pressure detection device 10 includes a detection unit 20 and a processing circuit 30.
- the detection unit 20 detects a combustion pressure P of the engine 1 (see FIG. 1).
- the piezoelectric element 21 is covered with a conductive casing (indicated by a broken line) of a front outer casing 22 and a front inner casing 23.
- the charge signal Qi as a detection signal from the piezoelectric element 21 is given to the processing circuit 30 through the conductive portion 11. That is, one terminal of the piezoelectric element 21 is connected to the processing circuit 30 via the conductive portion 11, and the other terminal is connected to the GND of the processing circuit 30 via the conductive portion 11.
- the front outer casing 22 and the front inner casing 23 of the detection unit 20 are grounded (grounded) in common with the engine 1.
- a second reference power supply 34 that is a regulator.
- the operational amplifier 31 constitutes an integrating circuit
- the operational amplifier 32 constitutes an amplifier circuit
- the operational amplifier 33 constitutes a first reference power source using a voltage dividing resistor system.
- the operational amplifiers 31, 32, and 33 are connected to the power supply voltages Vdd and GND, but the connection is not shown.
- a charge signal Qi is applied to the processing circuit 30 from the piezoelectric element 21, and this charge signal Qi is input to an inverting input terminal of an operational amplifier 31 that is an integration circuit via a capacitor C1.
- a first reference voltage Vr1 described later is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31.
- a charge capacitor C2 and a high-resistance discharge resistor R3 are connected between the inverting input terminal and the output terminal of the operational amplifier 31.
- the integration circuit 31 when it is configured, if it is configured by an operational amplifier circuit that operates with a single power source and differentially amplifies the detection signal Qi and the first reference voltage Vr1, a waveform that is generated instantaneously and fluctuations at any time are generated. Even if it is a noise component to perform, since the change of a noise component is dynamically canceled by capturing in real time, the detection accuracy can be maintained at a high level and a highly effective noise reduction effect can be obtained. As a result, the integration process for the detection signal Qi can be performed without being affected by the noise component, and can be realized easily and at low cost by a relatively simple circuit.
- An output signal Vout1 from the operational amplifier 31 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 32, which is an amplifier circuit in the subsequent stage of the operational amplifier 31, via the capacitor C3.
- a second reference voltage Vr2 from the power supply 34 is applied via the resistor R4.
- the inverting input terminal of the operational amplifier 32 is connected to the second reference voltage Vr2 via the resistor R5 and is connected to the output terminal via the resistor R6.
- the second reference power supply 34 is a power supply by a regulator, and a stable second reference voltage Vr2 is obtained by applying a power supply voltage Vdd for driving the processing circuit 30, and is supplied to an operational amplifier 32 serving as an amplifier circuit.
- the operation of the amplifier circuit can be stabilized by obtaining it from the output of the second reference power supply 34 using the regulator that stabilizes the power supply voltage Vdd.
- a stable output signal with little fluctuation can be obtained. That is, since the amplification process can be performed on the output signal in which the noise component is reduced in the previous stage, the amplification process that is not affected by the noise component can be performed.
- the illustrated second reference voltage Vr2 is DC 1.0V.
- the operational amplifier 32 operates as a non-inverting amplifier circuit using the second reference voltage Vr2 as an operation reference, and an amplified output signal Vout2 is output from the output terminal.
- the amplification factor of the amplifier circuit is determined by the ratio of the resistance values of the resistors R5 and R6.
- a transformer circuit 35 is provided outside the processing circuit 30.
- the transformer circuit 35 is configured by arranging two voltage dividing resistors R1 and R2 as a voltage dividing resistor circuit. In this way, if the transformer circuit 35 is constituted by a voltage dividing resistor circuit in which a plurality of voltage dividing resistors R1 and R2 are combined, it can be implemented with a simple circuit configuration and a stabilizing circuit such as a regulator can be dispensed with. Further, it is possible to further facilitate the implementation and reduce the cost.
- one terminal of the voltage dividing resistor R1 is connected to the power supply voltage Vdd
- the other terminal is connected to one terminal of the voltage dividing resistor R2
- the other terminal of the voltage dividing resistor R2 is connected to GND.
- the power supply voltage Vdd is divided by the voltage dividing resistors R1 and R2, and a divided voltage Va obtained by dividing the power supply voltage Vdd is obtained at the connection point A between the voltage dividing resistors R1 and R2.
- This divided voltage Va is applied to the processing circuit 30.
- the divided voltage Va applied to the processing circuit 30 is input to the operational amplifier 33, and the operational amplifier 33 outputs the first reference voltage Vr1.
- the first reference voltage Vr1 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 serving as an integration circuit.
- the operational amplifier 33 operates as a voltage follower circuit by connecting the inverting input terminal of the operational amplifier 33 to the output terminal, and outputs the divided voltage Va as the first reference voltage Vr1 having a low output impedance.
- the voltage value of the first reference voltage Vr1 is determined by the resistance value ratio of the voltage dividing resistors R1 and R2.
- the illustrated first reference voltage Vr1 is DC 1.0V.
- the voltage dividing resistors R1 and R2 and the operational amplifier 33 constitute a first reference power source that outputs the first reference voltage Vr1. Note that when the resistance values of the voltage dividing resistors R1 and R2 are low, the output impedance of the divided voltage Va is low, and thus the operational amplifier 33 may be omitted.
- the input charge signal Qi is integrated by the integration circuit by the operational amplifier 31 using the first reference voltage Vr1 as the operation reference, and the output signal Vout1 is output. Further, an output signal Vout2 amplified by a predetermined amplification factor is output by the amplifier circuit by the operational amplifier 32 using the second reference voltage Vr2 as an operation reference.
- the reason why both the integration circuit using the operational amplifier 31 and the amplifier circuit using the operational amplifier 32 require a reference voltage is that the power supply voltage Vdd for driving the processing circuit 30 is a single power supply, and therefore the reference for the operational amplifier 31 and the operational amplifier 32 to operate. This is because an intermediate voltage between the power supply voltage Vdd and GND is required.
- the reference voltage is preferably a voltage close to GND so that the amplitudes (peak values) of the output signals Vout1 and Vout2 are as large as possible, and specifically, about 1.0 V DC is desirable.
- FIG. 4A schematically shows the relationship between the time t and the combustion pressure P received by the piezoelectric element 21.
- the combustion pressure P is repeatedly generated at a cycle T1.
- the cycle T ⁇ b> 1 of the combustion pressure P varies depending on the rotational speed of the engine 1. That is, the cycle T1 becomes shorter as the rotational speed of the engine 1 increases, and the cycle T1 becomes longer as the rotational speed of the engine 1 decreases.
- the cycle T1 changes every moment as the rotational speed increases or decreases.
- FIG. 4 (b) schematically shows the relationship between the charge signal Qi, which is the output of the piezoelectric element 21 of the detection unit 20 that has received the combustion pressure P, and the time t. Since the piezoelectric element 21 detects a change in the combustion pressure P as a differential value, the charge signal Qi is output as a differential waveform. In the example, the charge signal Qi swings to the negative side when the combustion pressure P increases, and swings to the positive side when the combustion pressure P decreases. However, the polarity of the charge signal Qi changes the connection of the piezoelectric element 21. It is also possible to reverse it.
- the obtained charge signal Qi is affected by radiation noise generated from the engine 1 or electromagnetic induction noise riding on the conductive portion 11 connecting the piezoelectric element 21 and the processing circuit 30.
- the noise component Ni having various sizes and frequency components is included.
- FIG. 4B schematically shows an example of a peak noise component that is instantaneously generated for some reason as Nip in the noise component Ni.
- the peak noise component Nip is a large noise component that arrives instantaneously with respect to the noise component Ni that constantly arrives. Therefore, the charge signal Qi including such a noise component Ni passes through the capacitor C1 and is given to the inverting input terminal of the operational amplifier 31 of the processing circuit 30.
- FIG. 4C schematically shows the first reference voltage Vr1 that is the output of the operational amplifier 33.
- Radiation noise and electromagnetic induction noise generated from the engine 1 (see FIG. 1) described above are on the power supply voltage Vdd and GND of the pressure detection device 10, and these noises pass through the voltage dividing resistors R1 and R2.
- the divided voltage Va is applied to the operational amplifier 33.
- the noise component N1 including various frequency components is superimposed on the first reference voltage Vr1 that is the output of the operational amplifier 33.
- N1p in the noise component N1 schematically shows an example of a peak noise component that is instantaneously generated for some reason, like the above-described Nip.
- both the noise component Ni constantly included in the charge signal Qi and the instantaneously generated peak noise component Nip are input to the inverting input terminal of the operational amplifier 31, and the non-inverting input terminal of the operational amplifier 31 is The noise component N1 that is constantly included in the first reference voltage Vr1 and the peak noise component N1p that occurs instantaneously are input.
- the noise component Ni included in the charge signal Qi and the noise component N1 included in the first reference voltage Vr1 are both radiation noise and electromagnetic induction noise generated from the engine 1 and have the same generation source. Therefore, when the noise changes due to fluctuations in the rotational speed of the engine 1, the two noise components Ni and N1 change in the same way. That is, if the noise component Ni increases, the noise component N1 also increases, and if the phase or cycle of the noise component Ni changes, the phase and cycle of the noise component N1 change in the same manner.
- the operational amplifier 31 that functions as a differential amplifier
- the components Ni and N1 are canceled out, and the charge signal Qi can be integrated with almost no influence of noise.
- the peak noise components Nip and N1p that are generated instantaneously due to some factor are included in the noise components Ni and N1 at the same timing, and thus are almost canceled by the operational amplifier 31 functioning as a differential amplifier.
- FIG. 5A shows the relationship between the output signal Vout1 obtained from the output terminal of the operational amplifier 31 of the processing circuit 30 and the time t.
- the operational amplifier 31 operates based on the first reference voltage Vr1. Then, the input charge signal Qi is integrated and converted into a voltage, whereby an output signal Vout1 similar to a pressure change is output from the output terminal of the operational amplifier 31. That is, when the charge signal Qi swings to the minus side, the potential of the output terminal of the operational amplifier 31 rises, so that the charging current I1 (see FIG. 3) flows through the charge capacitor C2, and the output signal Vout1 is as shown in the figure. Ascending curve.
- the operational amplifier 31 operates as an integration circuit and integrates and outputs the charge signal Qi having a differential waveform, and therefore the output signal Vout1 is the combustion pressure P (see FIG. 4A) received by the piezoelectric element 21.
- the waveform resembles the pressure change, and the change in the combustion pressure P can be output as a voltage.
- the output signal Vout1 includes the noise component as illustrated. Output as no signal.
- the peak noise components Nip and N1p are instantaneously large noise components, they may not be able to be completely cancelled.
- the output signal Vout1 may be slightly included as the noise component Vn1. However, since the level is much smaller than the signal level, it is hardly a problem.
- FIG. 5B shows an example of a voltage waveform of the output signal Vout2 obtained from the output terminal of the operational amplifier 32 of the processing circuit 30.
- the operational amplifier 32 operates as a non-inverting amplifier circuit using the second reference voltage Vr2 as an operation reference, the output signal Vout2 is in phase with the output signal Vout1, and the amplitude of the output signal Vout1 is a predetermined amplification factor. It becomes the magnitude
- the power supply voltage Vdd 5V, it is desirable to adjust the amplification factor of the operational amplifier 32 so that the output signal Vout2 has an amplitude within 5V.
- the amplified output signal Vout2 also contains almost no noise component. As a result, an output signal with a good S / N ratio can be obtained. Further, as described above, the output signal Vout1 input to the operational amplifier 32 may include a slight noise component Vn1. In this case, the noise component Vn1 is amplified and is included in the output signal Vout2 as the noise component Vn2 as shown in the figure.
- the pressure detection device 10 operates so as to cancel the noise component on the input side of the integration circuit. Therefore, the charge signal Qi that is a detection signal is reduced without being affected by the noise component. It is possible to integrate by error, and it is possible to realize pressure detection with high accuracy.
- the operational amplifier 31 has an inverting input terminal and a non-inverting input terminal. Since the changing noise component is input simultaneously, the noise change can be captured in real time and the noise component can be canceled out dynamically.
- the operational amplifier 32 operates stably and can obtain a highly accurate output signal with little fluctuation in voltage level.
- noise removal can be performed without using a digital device such as a computer, it can be provided as a small and light pressure detection device that is excellent in cost and maintenance.
- FIG. 6 shows a processing circuit 40 as a modification of the pressure detection device 10 according to the first embodiment, in particular, a modification of the processing circuit 30.
- the processing circuit 40 as a modification is obtained by adding a voltage follower circuit to the final stage in order to reduce the output impedance of the output signal, and the voltage follower circuit is configured by an operational amplifier 36.
- the integration circuit by the operational amplifier 31 other than the operational amplifier 36, the amplification circuit by the operational amplifier 32, the first two reference resistors R1 and R2 and the first reference power supply 34 by the operational amplifier 33, and the second reference power supply 34 are the same as in FIG. Therefore, the same parts are denoted by the same reference numerals and detailed description thereof is omitted.
- the detection part 20 and the electroconductive part 11 are also the same as that of FIG. 3, illustration was abbreviate
- the output signal Vout2 that is the output of the operational amplifier 32 is applied to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 36.
- the output signal Vout3 is output from the output terminal of the operational amplifier 36, and this output is output from the processing circuit 40 to the outside.
- the inverting input terminal is directly connected to the output terminal. Therefore, the operational amplifier 36 operates as a voltage follower circuit, and the output of the operational amplifier 32, that is, the output signal Vout2 is output as the output signal Vout3 converted to the low output impedance.
- the modification shown in FIG. 6 is one in which two amplifier circuits are provided after the integrating circuit.
- a low-pass filter circuit may be provided at the subsequent stage of the operational amplifier 36 to output the output signal Vout3 after removing high-frequency noise components. Further, the output signal Vout3 has only an output impedance different from that of the output signal Vout2, and the voltage waveform thereof is the same as that in FIG.
- the processing circuit 40 according to the modification shown in FIG. 6 can convert the output impedance of the output signal Vout3 to an extremely low value because the voltage follower circuit is added to the final stage.
- the processing circuit 30 of FIG. 3 it is possible to avoid the problem that external noise or the like is placed on the output signal Vout3, so that it is possible to realize a highly accurate pressure detection device with excellent noise resistance.
- the pressure detection device 50 shown in FIG. 7 includes a detection unit 20 and a processing circuit 60 as in the first embodiment shown in FIG. Since the detection unit 20 is the same as that of the first embodiment shown in FIG. 3, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the exemplary processing circuit 60 is configured by a one-chip integrated circuit, and the basic configuration is the same as the processing circuit 30 of the first embodiment shown in FIG. Are given the same numbers, and detailed descriptions thereof are omitted.
- the processing circuit 60 includes three operational amplifiers 31, 32, and 33 that operate with a single power source, and a second reference power source 34 that is a regulator. Further, the operational amplifier 31 constitutes an integration circuit, and the operational amplifier 32 constitutes an amplification circuit.
- the first reference power supply is configured by a voltage dividing resistor system using an operational amplifier 33 and a voltage dividing resistor circuit.
- the two voltage dividing resistors R11 and R12 as the voltage dividing resistor circuit constituting the first reference power supply are built in the processing circuit 60 as an integrated circuit as shown in the figure. That is, one terminal of the voltage dividing resistor R11 built in the integrated circuit is connected to the power supply voltage Vdd, the other terminal is connected to one terminal of the voltage dividing resistor R12 built in the integrated circuit, and the other terminal of the voltage dividing resistor R12 is connected. Are connected to the GND of the circuit.
- connection point A between the voltage dividing resistors R11 and R12 is input to the non-inverting input terminal of the operational amplifier 33.
- the power supply voltage Vdd is divided by the voltage dividing resistors R11 and R12 built in the integrated circuit, and the connection point A outputs the divided voltage Va obtained by dividing the power supply voltage Vdd to output the non-inverting input terminal of the operational amplifier 33.
- the operational amplifier 33 operates as a voltage follower circuit as in the first embodiment, and outputs the first reference voltage Vr21 from the output terminal.
- the voltage value of the first reference voltage Vr21 is determined by the resistance value ratio of the voltage dividing resistors R11 and R12 as in the first embodiment, and the illustrated first reference voltage Vr21 is DC 1.0V.
- voltage dividing resistors R11 and R12 as voltage dividing resistor circuits are built in a processing circuit 60 that is configured as one integrated circuit, that is, arranged inside the integrated circuit. This is different from the processing circuit 30 of the first embodiment arranged outside the integrated circuit. As described above, if the processing circuit 30 at least part of which is constituted by an integrated circuit is provided, the transformer circuit 35 is not only provided outside the integrated circuit as in the first embodiment but also incorporated in the integrated circuit. Is also possible. Since the noise reduction effect can be ensured in any state, for example, the degree of freedom in design in assembling can be increased even in the case of a limited arrangement space.
- the number of parts can be reduced, so that the reliability of the pressure detection device can be improved. Further, the variation in the resistance value ratio of the built-in resistor is reduced, and the variation in the voltage value of the first reference voltage Vr21 can be reduced.
- the pressure detection device 50 according to the second embodiment can also be attached to the engine 1 in the same manner as the pressure detection device 10 of the first embodiment.
- the pressure detection device 50 uses the first reference voltage Vr21 as an operation reference, integrates the input charge signal Qi by the integration circuit of the operational amplifier 31, and outputs an output signal Vout21. . Further, an output signal Vout22 amplified by a predetermined amplification factor is output by the amplifier circuit of the operational amplifier 32 using the second reference voltage Vr22 as an operation reference.
- the first reference voltage Vr21 that is the output of the operational amplifier 33 is similar to the first reference voltage Vr1 of the first embodiment, and is noise caused by radiation noise or electromagnetic induction noise generated from the engine 1 shown in FIG.
- the component N1 is included (see FIG. 4C).
- the pressure detection device 50 according to the second embodiment can obtain an output signal in which the influence of noise is reduced, as well as the pressure detection with high accuracy, like the pressure detection device 10 according to the first embodiment described above. realizable.
- the second embodiment may include a configuration in which a voltage follower circuit is added to the final stage of the amplifier circuit to convert the output impedance to a very low value, as in the modification of the first embodiment described above. it can. As a result, it is possible to realize a highly accurate pressure detection device having excellent noise resistance.
- the pressure detection device 70 shown in FIG. 8 includes a detection unit 20 and a processing circuit 80 as in the first embodiment shown in FIG.
- the pressure detection device 70 according to the third embodiment includes a detection unit 20 and a processing circuit 80 as in the first embodiment. Since the detection unit 20 is the same as that of the first embodiment, the same parts are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the processing circuit 80 the same components as those of the processing circuit 30 (see FIG. 3) of the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the processing circuit 80 includes three operational amplifiers 31, 32, and 33 that operate with a single power supply, as in the first embodiment.
- the operational amplifier 31 constitutes an integrating circuit
- the operational amplifier 32 constitutes an amplifier circuit
- the first reference power source is constituted by a voltage dividing resistor system using the operational amplifier 33 and the voltage dividing resistor circuit.
- the third embodiment is different from the first embodiment in that there is no second reference power supply 34 (see FIG. 3) by a regulator, and the operational amplifiers 31, 32, and 33 are operated by one reference power supply of a voltage dividing resistor method. It is a point.
- the non-inverting input terminal of the operational amplifier 32 is connected to the reference voltage Vr1 from the first reference power supply via the resistor R4, and the inverting input terminal is connected to the non-inverting input terminal from the first reference power supply via the resistor R5.
- the reference voltage Vr1 is connected.
- the influence of noise is that the reference voltage Vr1 including the noise component is input to the first embodiment in which the reference voltage Vr2 including almost no noise component is input to the operational amplifier 32.
- the output signal Vout1 of the operational amplifier 31 has a configuration that does not substantially contain a noise component, so that a pressure detection device with less noise influence is realized as compared with the prior art.
- the transformer circuit 35 is configured by a voltage dividing resistor circuit in which a plurality of voltage dividing resistors R1 and R2 are combined is illustrated, but only voltage transformation is performed on the power supply voltage Vdd applied from an external power source.
- the first reference voltage Vr1 having a predetermined voltage value is obtained, the configuration using other circuits is not excluded.
- the illustrated circuits including the integrating circuit 31 and the circuit for obtaining the second reference voltage Vr2 are not limited to these, and can be replaced with other circuits having the same function. Further, it is optional whether or not to provide a final voltage follower circuit in the processing circuit 30.
- the pressure detection device according to the present invention can be widely used for pressure detection in various applications including detection of engine combustion pressure.
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Abstract
圧力Ｐを受けることにより当該圧力Ｐに対応した検出信号Ｑｉを出力する圧力検出素子２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）とこの圧力検出素子２１から出力する検出信号Ｑｉを処理して出力する処理回路３０とを備えてなる圧力検出装置１０であって、外部の電源から付与される電源電圧Ｖｄｄに対して変圧のみを行うことにより所定の電圧値となる第１基準電圧Ｖｒ１を得る変圧回路３５と、この第１基準電圧Ｖｒ１を動作基準として検出信号Ｑｉを積分処理することにより電圧波形に変換する積分回路３１と、所定の電圧値となる第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準として積分回路３１からの出力信号Ｖｏｕｔ１…を増幅処理する少なくとも一つ以上の増幅回路３２…とを有する処理回路３０を備える。
Description
本発明は、エンジンの燃焼圧等の圧力を検出する際に用いて好適な圧力検出装置に関する。
一般に、圧力や磁気等の物理量を検出して電気信号に変換する様々な検出装置が提案されている。このような検出装置は、通常、センサが物理量の変化を微分値として出力するため、そのセンサからの検出信号を積分回路による積分により物理量の変化に相似した波形の電圧に変換する処理回路を備えている。
図９に、物理量としてエンジンの燃焼圧を検出する圧力検出装置の処理回路の一例を示す。図９に示す処理回路１００は、検出信号を積分する積分回路と、この積分回路により積分した出力信号を増幅する増幅回路との二つのオペアンプ１０４、１１０を備えている。そして、圧力を検出する圧電素子１０１の片方の端子は、導電部１０２及び処理回路１００のコンデンサ１０３を介してオペアンプ１０４の反転入力端子に接続されるとともに、圧電素子１０１の他方の端子は、導電部１０２を介して処理回路１００のＧＮＤに接続される。これにより、オペアンプ１０４の反転入力端子には圧電素子１０１からの電荷信号Ｑｉが付与される。
一方、オペアンプ１０４の非反転入力端子には、レギュレータによる基準電源１０５からの基準電圧Ｖｒが付与される。この基準電源１０５は、外部から付与される電源電圧Ｖｄｄを安定化することにより基準電圧Ｖｒとして出力する。なお、オペアンプ１０４の反転入力端子とオペアンプ１０４の出力端子の間には、チャージコンデンサ１０６と放電抵抗１０７が接続される。これにより、オペアンプ１０４の出力端子からは、電荷信号Ｑｉを積分して電圧に変換した出力信号Ｖｏｕｔ０１が得られる。
この出力信号Ｖｏｕｔ０１は、コンデンサ１１１を介して増幅回路となるオペアンプ１１０の非反転入力端子に付与される。この非反転入力端子は、抵抗１１２を介して基準電圧Ｖｒに接続される。また、オペアンプ１１０の反転入力端子は、抵抗１１３を介して基準電圧Ｖｒに接続されるとともに、抵抗１１４を介して出力端子に接続される。これにより、オペアンプ１１０の出力端子からは増幅された出力信号Ｖｏｕｔ０２が得られる。
他方、圧電素子１０１は、検出装置の筐体１２０に収容されており、エンジンの燃焼圧を検出する燃焼圧センサの場合、この筐体１２０はエンジン（図示せず）と共通に接地（アース）される。
次に、圧力検出装置の基本動作について、図１０及び図１１を参照して説明する。まず、圧力検出装置に対する外来ノイズの影響が無い理想的な状態を前提にして、処理回路１００の基本的な動作を図１０を用いて説明する。図１０（ａ）は、圧電素子１０１が周期Ｔ０で燃焼圧の変化を検出した場合の電荷信号Ｑｉの微分波形を模式的に示している。この電荷信号Ｑｉが図９に示したコンデンサ１０３を通過して、処理回路１００のオペアンプ１０４の反転入力端子に付与される。図１０（ｂ）は、オペアンプ１０４の出力端子から得られる出力信号Ｖｏｕｔ０１の電圧波形の一例を示している。オペアンプ１０４は、基準電圧Ｖｒを基準にして動作するため、電荷信号Ｑｉは積分により電圧に変換され、オペアンプ１０４の出力端子からは圧力変化に相似した出力信号Ｖｏｕｔ０１が得られる。図１０（ｃ）は、オペアンプ１１０の出力端子から出力される出力信号Ｖｏｕｔ０２の電圧波形の一例を示している。ここで、オペアンプ１１０は、基準電圧Ｖｒを動作基準とする非反転増幅回路として動作し、その出力信号Ｖｏｕｔ０２は、入力する出力信号Ｖｏｕｔ０１と同相となり、その振幅は所定の増幅率により増幅された大きさとなる。
次に、外来ノイズの影響を受けた場合の処理回路１００の動作の一例を図１１を用いて説明する。図１１（ａ）は、前述した図１０（ａ）と同様であり、圧電素子１０１が周期Ｔ０で燃焼圧の変化を検出した場合の電荷信号Ｑｉの微分波形を模式的に示している。ただし、図１１（ａ）の場合は、圧力検出装置が装着されたエンジン（図示せず）から発生する放射ノイズや、圧電素子１０１と処理回路１００を繋ぐ導電部１０２に乗る電磁誘導ノイズ等の影響を受け、様々な周波数成分を有するノイズ成分Ｎｉが重畳された電荷信号Ｑｉを示している。図１１（ｂ）は、外来ノイズの影響を受けた場合のオペアンプ１０４から出力される出力信号Ｖｏｕｔ０１の電圧波形の一例を模式的に示している。図９に示すように、オペアンプ１０４の非反転入力端子は、基準電源１０５からの基準電圧Ｖｒに接続されているが、基準電源１０５はレギュレータによる電源であって、直流的に安定した電圧を発生するとともに、外部からのノイズに対しても影響を受けにくい特性を備えている。このため、オペアンプ１０４の非反転入力端子に付与される基準電圧Ｖｒは、直流的にも交流的にも安定しており、外部からの電気的なノイズの影響をほとんど受けることが無い。したがって、オペアンプ１０４の反転入力端子には、ノイズ成分Ｎｉを含んだ電荷信号Ｑｉが付与され、他方、非反転入力端子には、ノイズ成分をほとんど含まない安定した基準電圧Ｖｒが付与される。この結果、オペアンプ１０４は、反転入力端子と非反転入力端子の差分信号を増幅することになり、電荷信号Ｑｉを積分して電圧に変換された出力信号は、電荷信号Ｑｉに含まれるノイズ成分Ｎｉが増幅されたノイズ成分Ｎ０１が重畳された出力信号Ｖｏｕｔ０１となる。図１１（ｃ）は、オペアンプ１１０の出力端子から得られる出力信号Ｖｏｕｔ０２の電圧波形の一例を模式的に示している。オペアンプ１１０はノイズ成分Ｎ０１を含んだ出力信号Ｖｏｕｔ０１を増幅するため、出力信号Ｖｏｕｔ０２はノイズ成分Ｎ０１が増幅されたノイズ成分Ｎ０２を含んだ出力となる。したがって、出力信号Ｖｏｕｔ０２は、いわばノイズ成分Ｎ０２に埋もれた信号となる。
このように、圧力検出装置における処理回路１００は、検出信号である電荷信号Ｑｉにノイズ成分が混入した場合、そのノイズ成分も増幅してしまうため、出力信号のＳ／Ｎ比が悪くなるとともに、検出精度が大きく低下する問題がある。なお、出力信号Ｖｏｕｔ０２のノイズ成分Ｎ０２を取り除く方法としては、オペアンプ１１０の後段にフィルタ回路を設け、このフィルタ回路によりノイズ成分Ｎ０２のみを減衰させ、Ｓ／Ｎ比を向上させる方法も考えられるが、通常、外来ノイズは、様々な周波数成分を含むため、フィルタ回路で取り除くことは容易でない。特に、電荷信号Ｑｉの周波数成分がノイズ成分に近い場合は、ノイズ成分のみを減衰させることができないため、フィルタ回路での除去は困難となる。
このため、従来においては、信号処理の観点からセンサの検出信号に混入するノイズの影響を低減する方法も提案されており、例えば、特許文献１には、ノイズ成分を分圧抵抗を介して初段の積分回路の出力信号に加減算し、次段の増幅回路に入力するとともに、この増幅回路の出力信号をＡＤ変換してコンピュータで監視を行い、ノイズ成分が最小となるように、アッテネータを制御して調整し、これにより、検出信号に混入する誘導ノイズを除去、即ち、物理量として磁気の変化を検出する磁気センサからのノイズ成分を低減する信号処理方法が開示されている。
しかし、特許文献１で開示されるノイズ除去のための信号処理方法は、次のような問題点があった。
即ち、特許文献１は、信号に対してノイズ成分の加減算を行う処理方法のため、ノイズ除去には相当な誤差が含まれる虞れがあり、高精度な検出信号を得ることが容易でない。特に、ノイズ成分の抽出においては、待機中のセンサの検出信号からノイズレベルを判定するため、ノイズが安定している状態では問題を生じないが、ノイズの大きさや周波数成分等がリアルタイムに変動するエンジン等の燃焼圧を検出する圧力検出装置には、利用が困難となる。しかも、増幅回路の出力信号をコンピュータにより監視する手法を用いるため、検出装置が大掛かりとなる。この結果、システムの大型化や動作の複雑化を招きやすいとともに、製造コストに係るコストアップやメンテナンスの煩雑化も生じやすい。
本発明は、このような背景技術に存在する課題を解決した圧力検出装置の提供を目的とするものである。
本発明は、上述した課題を解決するため、圧力Ｐを受けることにより当該圧力Ｐに対応した検出信号Ｑｉを出力する圧力検出素子２１（２１ａ，２１ｂ，２１ｃ）とこの圧力検出素子２１から出力する検出信号Ｑｉを処理して出力する処理回路３０とを備えてなる圧力検出装置１０であって、外部の電源から付与される電源電圧Ｖｄｄに対して変圧のみを行うことにより所定の電圧値となる第１基準電圧Ｖｒ１を得る変圧回路３５と、この第１基準電圧Ｖｒ１を動作基準として検出信号Ｑｉを積分処理することにより電圧波形に変換する積分回路３１と、所定の電圧値となる第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準として積分回路３１からの出力信号Ｖｏｕｔ１…を増幅処理する少なくとも一つ以上の増幅回路３２…とを有する処理回路３０を備えることを特徴とする。
この場合、発明の好適な態様により、変圧回路３５は、複数の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を組合わせた分圧抵抗回路により構成することが望ましい。また、積分回路３１は、単電源で動作し、かつ検出信号Ｑｉと第１基準電圧Ｖｒ１を差動増幅する演算増幅回路により構成することが望ましい。一方、第２基準電圧Ｖｒ２は、電源電圧Ｖｄｄを安定化させるレギュレータを用いた第二基準電源３４の出力から得ることができる。なお、この第２基準電圧Ｖｒ２は、変圧回路３５から得ることも可能である。他方、処理回路３０の最終段には、ボルテージフォロア回路を設けることも可能である。また、処理回路３０は、少なくとも一部を集積回路により構成することができ、この際、変圧回路３５は、当該集積回路の外部に配してもよいし、集積回路に内蔵してもよい。さらに、検出信号Ｑｉには、圧力検出素子として用いた圧電素子２１から得る電荷信号（Ｑｉ）を用いることができる。なお、圧力検出装置１０は、自動車に搭載するエンジン１の燃焼圧Ｐを検出する際に用いて好適となる。
このように構成する本発明に係る圧力検出装置１０によれば、次のような顕著な効果を奏する。
（１） 外部の電源から付与される電源電圧Ｖｄｄに対して変圧のみを行うことにより所定の電圧値となる第１基準電圧Ｖｒ１を得る変圧回路３５と、この第１基準電圧Ｖｒ１を動作基準として検出信号Ｑｉを積分処理することにより電圧波形に変換する積分回路３１と、所定の電圧値となる第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準として積分回路３１からの出力信号Ｖｏｕｔ１…を増幅処理する少なくとも一つ以上の増幅回路３２…とを有する処理回路３０を備えるため、外乱によるノイズ成分は、第１基準電圧Ｖｒ１と検出信号Ｑｉの双方に同時に重畳する。したがって、ノイズ成分同士が打ち消し合う構成にすれば、必要となる信号に重畳するノイズ成分を低減でき、高精度の圧力検出を実現できる。しかも、ノイズ除去のためのコンピュータ等の複雑なデジタル機器を必要としないため、低コストに実施できるとともに、メンテナンスの容易化、更には小型軽量化を実現できる。
（２） 好適な態様により、変圧回路３５を、複数の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を組合わせた分圧抵抗回路により構成すれば、簡易な回路構成により実施できるとともに、レギュレータ等の安定化回路を不要にできるため、更なる実施の容易化及び低コスト化を図ることができる。
（３） 好適な態様により、積分回路３１を構成するに際し、単電源で動作し、かつ検出信号Ｑｉと第１基準電圧Ｖｒ１を差動増幅する演算増幅回路により構成すれば、瞬間的に発生する波形や随時変動するノイズ成分などであっても、ノイズ成分の変化をリアルタイムに捕らえることにより動的に打ち消すため、検出精度を高い状態に維持できるとともに、有効性の高いノイズ低減効果を得ることができる。この結果、検出信号Ｑｉに対する積分処理をノイズ成分の影響を受けることなく行うことができるとともに、比較的シンプルな回路により容易かつ低コストに実現できる。
（４） 好適な態様により、第２基準電圧Ｖｒ２を得るに際し、電源電圧Ｖｄｄを安定化させるレギュレータを用いた第二基準電源３４の出力から得るようにすれば、増幅回路の動作を安定化できるため、電圧レベル変動の少ない安定した出力信号を得ることができる。即ち、前段でノイズ成分が低減された出力信号に対して増幅処理が可能になるため、ノイズ成分の影響を受けることのない増幅処理を行うことができる。
（５） 好適な態様により、第２基準電圧Ｖｒ２を得るに際し、変圧回路３５から得るようにすれば、変圧回路３５の兼用化及びレギュレータの不要化を図れるため、電源系統のシンプル化による更なるコスト削減に寄与できる。なお、この時点においてノイズ成分による影響を受けやすくなる面はあるが、前段の出力信号はノイズ成分をほぼ含まない構成としているため、従来と比較した場合には、ノイズの影響の小さい圧力検出装置１０として構成できる。
（６） 好適な態様により、処理回路３０の最終段に、ボルテージフォロア回路を設ければ、最終段の出力を低インピーダンス化できるため、ノイズ成分が最終段の出力信号に重畳する不具合を回避できる。
（７） 好適な態様により、少なくとも一部を集積回路により構成する処理回路３０を設けた場合、変圧回路３５は、当該集積回路の外部に配してもよいし集積回路に内蔵させてよい。即ち、いずれの状態であってもノイズ低減効果を確保できるため、例えば、限られた配設スペースの場合であっても組込み上の設計自由度を高めることができる。特に、集積回路に内蔵させた場合には、部品点数の削減が可能になるため、圧力検出装置１０の信頼性を高めることができる。また、内蔵抵抗の抵抗値比率のばらつきが小さくなり、第１基準電圧の電圧値のばらつきを低減できる。
１：エンジン，１０：圧力検出装置，２１：圧力検出素子（圧電素子），２１ａ：圧力検出素子（圧電素子），２１ｂ：圧力検出素子（圧電素子），２１ｃ：圧力検出素子（圧電素子），３０：処理回路，３１：積分回路，３２…：増幅回路，３４：第二基準電源，３５：変圧回路（分圧抵抗回路），Ｐ：圧力（燃焼圧），Ｑｉ：検出信号（電荷信号），Ｖｄｄ：電源電圧，Ｖｒ１：第１基準電圧，Ｖｒ２：第２基準電圧，Ｖｏｕｔ１…：出力信号，Ｒ１：分圧抵抗，Ｒ２：分圧抵抗
次に、本発明に係る最良実施形態を挙げ、図面に基づき詳細に説明する。
最初に、本実施形態に係る圧力検出装置の理解を容易にするため、この圧力検出装置を装着したエンジンの概略構成について、図１を参照して説明する。
図１において、符号１は圧力検出装置１０を装着した自動車用のエンジンである。このエンジン１は、シリンダ２ａを有するシリンダブロック２と、シリンダ２ａ内を往復動するピストン３と、シリンダブロック２に結合し、シリンダ２ａ及びピストン３等とともに燃焼室Ｃを構成するシリンダヘッド４とを備えている。また、エンジン１は、シリンダヘッド４に装着することにより燃焼室Ｃ内の混合気に点火して爆発させる点火プラグ５を備えるとともに、シリンダヘッド４に装着することにより燃焼室Ｃ内に燃料を噴射する燃料噴射装置７を備えている。この場合、シリンダヘッド４に貫通して燃焼室Ｃと外部を連通する二つの連通孔４ａ，４ｂを形成し、一方の連通孔４ａに点火プラグ５を装着し、他方の連通孔４ｂに燃料噴射装置７を装着している。さらに、燃料噴射装置７は、燃焼室Ｃの外部に位置する本体部７ａと、この本体部７ａに対して先端側に一体に設けることにより、先端面が燃焼室Ｃに臨む円柱状の先端部７ｂとを備えている。
次に、本実施形態に係る圧力検出装置１０の構成について説明する。まず、圧力検出装置１０の全体における基本構成について、図１及び図２を参照して説明する。
圧力検出装置１０は、図１に示すように、燃料噴射装置７の先端部７ｂに備える検出部２０と、この検出部２０に対して導電部１１を介して接続した処理回路３０とを備える。検出部２０は、リング状に構成し、燃焼室Ｃ内の内圧（燃焼圧：矢印Ｐ）を検出する機能を有する。なお、導電部１１には、金属棒やケーブルを用いることができる。一方、処理回路３０は、検出部２０により得られる検出信号を、導電部１１を介して取込むとともに、信号処理を施すことにより出力信号Ｖｏｕｔを出力する。この出力信号Ｖｏｕｔは、外部のエンジン制御部（図示せず）に付与される。
図２は、検出部２０の内部に配される圧電素子付近を検出部２０の径方向に切断した断面図を示す。例示する検出部２０は、図２に示すように、三つで構成される圧力検出素子としての圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを備え、検出部２０の導電性を有する筐体であるリング状のフロント外側筐体２２とフロント内側筐体２３の隙間に、周方向に沿って略等間隔に配する。なお、以下において、圧電素子２１との記述は三つの圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃが含まれる。圧電素子２１を配するに際しては、圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃの相互間の隙間に絶縁性のスペーサ２４ａ～２４ｃを介在させ、各圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを周方向に沿って略等間隔に配する。この構成により、エンジン１の燃焼圧Ｐは圧電素子２１により受けることができる。
また、スペーサ２４ａと２４ｃには、圧電素子２１からの検出信号を外部に伝達する接続端子２５ａ、２５ｂを通すためのスペーサ貫通孔２６ａ、２６ｂを設ける。これにより、接続端子２５ａ、２５ｂはスペーサ貫通孔２６ａ、２６ｂを貫通するとともに、スペーサ２４ａと２４ｃによりフロント外側筐体２２とフロント内側筐体２３に対して絶縁される。さらに、３つの圧電素子２１ａ～２１ｃの各電極は、検出部２０の内部において並列接続するとともに、接続端子２５ａ、２５ｂ及び電部材１１を介して処理回路３０に電気的に接続する（図１参照）。
なお、スペーサ２４ａ～２４ｃの材質はセラミックス（アルミナ、ジルコニア）等を利用可能であるが、絶縁材であれば材質は限定されない。また、フロント内側筐体２３の外周の全周には、環状の絶縁膜２７を配置し、周方向に配した圧電素子２１の内側の電極（図示せず）とフロント内側筐体２３を絶縁する。このように、圧電素子２１は、検出部２０の内部において周方向に沿って等間隔に複数配置されるため、外部からの圧力をバランス良く均一に受けることができ、高精度な圧力検出が可能となる。一方、検出部２０の内部は空洞２８を有するため、この空洞２８に、前述した燃料噴射装置７の先端部７ｂが配されることにより、燃焼室Ｃに燃料が噴射される構造となる（図１参照）。なお、本実施例の検出部２０は、３個の圧電素子２１ａ～２１ｃを例示するが、圧電素子２１の数は限定されず、さらに多くてもよいし少なくてもよい。また、検出部２０をエンジン１へ装着する形態は、燃料噴射装置７の先端部７ｂに取り付ける形態に限定されるものではなく、図示しないが、圧力検出装置１０の検出部２０が独立してシリンダヘッド４に装着する形態でもよい。
次に、圧力検出装置１０の主に電気系の構成について、第１実施形態～第２実施形態を
挙げ、図３～図８を参照して説明する
挙げ、図３～図８を参照して説明する
まず、第１実施形態に係る圧力検出装置１０の構成について、図３～図６を参照して具体的に説明する。
圧力検出装置１０は、図３に示すように、検出部２０と処理回路３０とを有し、前述したように、検出部２０は、エンジン１（図１参照）の燃焼圧Ｐを検出する圧電素子２１を有するとともに、この圧電素子２１は、フロント外側筐体２２とフロント内側筐体２３との導電性の筐体（破線で示す）で覆われる。そして、圧電素子２１からの検出信号としての電荷信号Ｑｉは導電部１１を通って処理回路３０に付与される。即ち、圧電素子２１の一方の端子は導電部１１を介して処理回路３０に接続され、他方の端子は導電部１１を介して処理回路３０のＧＮＤに接続される。なお、検出部２０のフロント外側筐体２２及びフロント内側筐体２３は、それぞれエンジン１と共通に接地（アース）される。
また、例示の処理回路３０は、ワンチップの集積回路により構成し、単電源（一例として電源電圧Ｖｄｄ＝５Ｖ）で動作する三つのオペアンプ３１、３２、３３と、レギュレータによる第２基準電源３４を備える。この場合、オペアンプ３１により積分回路が構成され、オペアンプ３２により増幅回路が構成され、オペアンプ３３により分圧抵抗方式による第１基準電源が構成される。なお、各オペアンプ３１、３２、３３は、電源電圧ＶｄｄとＧＮＤに接続するが結線の図示は省略する。処理回路３０には、圧電素子２１から電荷信号Ｑｉが付与されるが、この電荷信号Ｑｉは、コンデンサＣ１を介して積分回路であるオペアンプ３１の反転入力端子に入力する。一方、オペアンプ３１の非反転入力端子には、後述する第１基準電圧Ｖｒ１が入力する。さらに、オペアンプ３１の反転入力端子と出力端子間には、チャージコンデンサＣ２と高抵抗値の放電抵抗Ｒ３を接続する。これにより、第１基準電圧Ｖｒ１を動作基準としたオペアンプ３１による積分回路が構成され、オペアンプ３１の出力端子からは、電荷信号Ｑｉを積分し、電圧に変換した出力信号Ｖｏｕｔ１が得られる。なお、放電抵抗Ｒ３とチャージコンデンサＣ２はハイパスフィルタを構成するため、その時定数ＲＣは、測定する燃焼圧Ｐの周波数範囲と比較して十分に長くなる値を選定することが望ましい。
このように、積分回路３１を構成するに際し、単電源で動作し、かつ検出信号Ｑｉと第１基準電圧Ｖｒ１を差動増幅する演算増幅回路により構成すれば、瞬間的に発生する波形や随時変動するノイズ成分などであっても、ノイズ成分の変化をリアルタイムに捕らえることにより動的に打ち消すため、検出精度を高い状態に維持できるとともに、有効性の高いノイズ低減効果を得ることができる。この結果、検出信号Ｑｉに対する積分処理をノイズ成分の影響を受けることなく行うことができるとともに、比較的シンプルな回路により容易かつ低コストに実現できる。
オペアンプ３１の後段の増幅回路となるオペアンプ３２の非反転入力端子には、コンデンサＣ３を介してオペアンプ３１からの出力信号Ｖｏｕｔ１が付与されるとともに、この非反転入力端子には、さらに、第２基準電源３４からの第２基準電圧Ｖｒ２が抵抗Ｒ４を介して付与される。一方、オペアンプ３２の反転入力端子は、抵抗Ｒ５を介して第２基準電圧Ｖｒ２に接続するとともに、抵抗Ｒ６を介して出力端子に接続する。第２基準電源３４はレギュレータによる電源であり、処理回路３０を駆動する電源電圧Ｖｄｄが付与されることにより安定した第２基準電圧Ｖｒ２が得られ、増幅回路となるオペアンプ３２に供給される。このように、第２基準電圧Ｖｒ２を得るに際し、電源電圧Ｖｄｄを安定化させるレギュレータを用いた第二基準電源３４の出力から得るようにすれば、増幅回路の動作を安定化できるため、電圧レベル変動の少ない安定した出力信号を得ることができる。即ち、前段でノイズ成分が低減された出力信号に対して増幅処理が可能になるため、ノイズ成分の影響を受けることのない増幅処理を行うことができる。なお、例示の第２基準電圧Ｖｒ２は、ＤＣ１．０Ｖである。これにより、オペアンプ３２は第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準とする非反転増幅回路として動作し、出力端子からは増幅された出力信号Ｖｏｕｔ２が出力する。また、増幅回路の増幅率は、抵抗Ｒ５と抵抗Ｒ６の抵抗値の比率により決定される。
他方、処理回路３０の外部には、変圧回路３５を設ける。この変圧回路３５は、分圧抵抗回路としての二つの分圧抵抗Ｒ１とＲ２を配して構成する。このように、変圧回路３５を、複数の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を組合わせた分圧抵抗回路により構成すれば、簡易な回路構成により実施できるとともに、レギュレータ等の安定化回路を不要にできるため、更なる実施の容易化及び低コスト化を図ることができる。
この場合、分圧抵抗Ｒ１の一方の端子は電源電圧Ｖｄｄに接続し、他方の端子は分圧抵抗Ｒ２の一方の端子に接続するとともに、分圧抵抗Ｒ２の他方の端子はＧＮＤに接続する。これにより、電源電圧Ｖｄｄは分圧抵抗Ｒ１とＲ２により分圧され、分圧抵抗Ｒ１とＲ２の接続点Ａには電源電圧Ｖｄｄが分圧された分圧電圧Ｖａが得られる。この分圧電圧Ｖａは処理回路３０に付与される。処理回路３０に付与された分圧電圧Ｖａは、オペアンプ３３に入力し、このオペアンプ３３からは第１基準電圧Ｖｒ１を出力する。この第１基準電圧Ｖｒ１は、積分回路となるオペアンプ３１の非反転入力端子に付与される。この場合、オペアンプ３３の反転入力端子は出力端子に接続することにより、オペアンプ３３はボルテージフォロア回路として動作し、分圧電圧Ｖａを低出力インピーダンスの第１基準電圧Ｖｒ１として出力する。第１基準電圧Ｖｒ１の電圧値は、分圧抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値比によって決定される。例示の第１基準電圧Ｖｒ１は、ＤＣ１．０Ｖである。このように、分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２とオペアンプ３３により、第１基準電圧Ｖｒ１を出力する第１基準電源が構成される。なお、分圧抵抗Ｒ１とＲ２の抵抗値が低い場合には、分圧電圧Ｖａの出力インピーダンスが低くなるため、オペアンプ３３は無くてもよい。
以上の構成により、入力する電荷信号Ｑｉをオペアンプ３１による積分回路により第１基準電圧Ｖｒ１を動作基準として積分し、出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。さらに、オペアンプ３２による増幅回路により、第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準として所定の増幅率で増幅した出力信号Ｖｏｕｔ２を出力する。なお、オペアンプ３１による積分回路とオペアンプ３２による増幅回路が、共に基準電圧を必要とする理由は、処理回路３０を駆動する電源電圧Ｖｄｄが単電源であるため、オペアンプ３１とオペアンプ３２が動作する基準として、電源電圧ＶｄｄとＧＮＤの間の中間電圧が必要となるためである。この基準電圧は、出力信号Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２の振幅（波高値）ができるだけ大きくなるように、ＧＮＤに近い電圧が好ましく、具体的には、ＤＣ１．０Ｖ程度が望ましい。
次に、第１実施形態に係る圧力検出装置１０の動作について、図３～図５を参照して説明する。図４（ａ）は、時間ｔと圧電素子２１が受ける燃焼圧Ｐとの関係を模式的に示している。燃焼圧Ｐは、一例として周期Ｔ１で繰り返し発生しているものとする。圧力検出装置１０が、図１に示したように、エンジン１に装着される場合には、エンジン１の回転数に応じて燃焼圧Ｐの周期Ｔ１は変動する。即ち、エンジン１の回転数が増加するに従って周期Ｔ１は短くなり、エンジン１の回転数が低下するに従って周期Ｔ１は長くなる。このように、自動車等に搭載されたエンジン１の燃焼圧Ｐを圧力検出装置１０により検出する場合、回転数の増減に伴って周期Ｔ１は刻々と変化することになる。
図４（ｂ）は、燃焼圧Ｐを受けた検出部２０の圧電素子２１の出力である電荷信号Ｑｉと時間ｔの関係を模式的に示している。圧電素子２１は、燃焼圧Ｐの変化を微分値として検出するため、電荷信号Ｑｉは微分波形として出力する。例示の場合、電荷信号Ｑｉは、燃焼圧Ｐが上昇すればマイナス側に振れ、燃焼圧Ｐが降下すればプラス側に振れているが、電荷信号Ｑｉの極性は圧電素子２１の接続を変更することにより反転させることも可能である。
この場合、得られる電荷信号Ｑｉは、前述した図９の場合と同様に、エンジン１から発生する放射ノイズや圧電素子２１と処理回路３０とを繋ぐ導電部１１に乗る電磁誘導ノイズ等の影響を受け、様々な大きさや周波数成分を有するノイズ成分Ｎｉを含んでいる。また、図４（ｂ）には、何らかの要因で瞬間的に発生するピークノイズ成分の一例を、ノイズ成分Ｎｉの中のＮｉｐとして模式的に示している。このピークノイズ成分Ｎｉｐは、定常的に到来するノイズ成分Ｎｉに対して、瞬間的に到来する大きなノイズ成分である。したがって、このようなノイズ成分Ｎｉを含んだ電荷信号Ｑｉが、コンデンサＣ１を通過して処理回路３０のオペアンプ３１の反転入力端子に付与されることになる。
図４（ｃ）は、オペアンプ３３の出力となる第１基準電圧Ｖｒ１を模式的に示している。圧力検出装置１０の電源電圧ＶｄｄやＧＮＤには、前述したエンジン１（図１参照）から発生する放射ノイズや電磁誘導ノイズが乗っており、これらのノイズは、分圧抵抗Ｒ１とＲ２を通過することにより分圧電圧Ｖａに乗り、オペアンプ３３に付与される。これにより、オペアンプ３３の出力となる第１基準電圧Ｖｒ１には、様々な周波数成分を含んだノイズ成分Ｎ１が重畳する。また、ノイズ成分Ｎ１の中のＮ１ｐは、前述したＮｉｐと同様に、何らかの要因で瞬間的に発生するピークノイズ成分の一例を模式的に示している。即ち、オペアンプ３１の反転入力端子には、電荷信号Ｑｉに定常的に含まれるノイズ成分Ｎｉと瞬間的に発生するピークノイズ成分Ｎｉｐの双方が入力するとともに、オペアンプ３１の非反転入力端子には、第１基準電圧Ｖｒ１に定常的に含まれるノイズ成分Ｎ１と瞬間的に発生するピークノイズ成分Ｎ１ｐが入力することになる。
この場合、電荷信号Ｑｉに含まれるノイズ成分Ｎｉと第１基準電圧Ｖｒ１に含まれるノイズ成分Ｎ１は、共にエンジン１から発生する放射ノイズや電磁誘導ノイズであり、発生源が同じである。したがって、エンジン１の回転数の変動等によりノイズが変化した場合、二つのノイズ成分ＮｉとＮ１は、共に同じように変化することになる。即ち、ノイズ成分Ｎｉが大きくなれば、ノイズ成分Ｎ１も大きくなり、ノイズ成分Ｎｉの位相や周期が変化すれば、ノイズ成分Ｎ１の位相や周期も同様に変化する。この結果、積分回路となるオペアンプ３１の反転入力端子と非反転入力端子の双方に、リアルタイムに同一又は同一に近いノイズ成分ＮｉとＮ１が入力するため、差動増幅器として機能するオペアンプ３１は、ノイズ成分ＮｉとＮ１を打ち消し、ノイズの影響をほとんど受けることなく電荷信号Ｑｉを積分できる。また、何らかの要因により瞬時に発生するピークノイズ成分ＮｉｐとＮ１ｐも、同じタイミングによりノイズ成分ＮｉとＮ１に含まれるため、差動増幅器として機能するオペアンプ３１によりほぼ打ち消されることになる。
図５（ａ）は、処理回路３０のオペアンプ３１の出力端子から得る出力信号Ｖｏｕｔ１と時間ｔとの関係を示している。この場合、オペアンプ３１は、第１基準電圧Ｖｒ１を基準として動作する。そして、入力した電荷信号Ｑｉを積分し、電圧に変換することにより、オペアンプ３１の出力端子から圧力変化に相似した出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。即ち、電荷信号Ｑｉがマイナス側に振れた際には、オペアンプ３１の出力端子の電位が上昇するため、チャージコンデンサＣ２に充電電流Ｉ１（図３参照）が流れ、出力信号Ｖｏｕｔ１は、図示のように上昇カーブとなる。一方、電荷信号Ｑｉがプラス側に振れた際には、オペアンプ３１の出力端子の電位が下がるため、チャージコンデンサＣ２に放電電流Ｉ２（図３参照）が流れ、出力信号Ｖｏｕｔ１は、図示のように下降カーブとなる。
この結果、オペアンプ３１は積分回路として動作し、微分波形となる電荷信号Ｑｉを積分して出力するため、出力信号Ｖｏｕｔ１は、圧電素子２１が受けた燃焼圧Ｐ（図４（ａ）参照）の圧力変化に相似した波形となり、燃焼圧Ｐの変化を電圧として出力することができる。そして、前述のように、オペアンプ３１は反転入力端子と非反転入力端子に入力される二つのノイズ成分ＮｉとＮ１を打ち消すように動作するため、出力信号Ｖｏｕｔ１は、図示のようにノイズ成分を含まない信号として出力される。さらに、ピークノイズ成分ＮｉｐとＮ１ｐは、瞬間的に大きなノイズ成分であるため、完全には打ち消すことが出来ない場合があり、図示のように、出力信号Ｖｏｕｔ１にノイズ成分Ｖｎ１として僅かに含まれる可能性もあるが、信号レベルより遙かに小さいレベルとなるためほとんど問題にはならない。
図５（ｂ）は、処理回路３０のオペアンプ３２の出力端子から得られる出力信号Ｖｏｕｔ２の電圧波形の一例を示している。この場合、オペアンプ３２は、第２基準電圧Ｖｒ２を動作基準とする非反転増幅回路として動作し、出力信号Ｖｏｕｔ２は出力信号Ｖｏｕｔ１に対して同相となり、その振幅は、出力信号Ｖｏｕｔ１が所定の増幅率により増幅された大きさとなる。なお、電源電圧Ｖｄｄ＝５Ｖの場合には、出力信号Ｖｏｕｔ２が、５Ｖ以内の振幅となるように、オペアンプ３２の増幅率を調整することが望ましい。オペアンプ３２の入力となる出力信号Ｖｏｕｔ１は、前述のように、ノイズ成分をほとんど含まないため、増幅された出力信号Ｖｏｕｔ２も、同様にノイズ成分をほとんど含まない。この結果、Ｓ／Ｎ比の良好な出力信号を得ることができる。また、オペアンプ３２が入力する出力信号Ｖｏｕｔ１には、前述のように、ノイズ成分Ｖｎ１が僅かに含まれる場合がある。この場合、このノイズ成分Ｖｎ１は増幅され、図示のように、出力信号Ｖｏｕｔ２にノイズ成分Ｖｎ２として含まれるが、信号レベルより遙かに小さいレベルとなるため、ほとんど問題にはならない。
このように、第１実施形態に係る圧力検出装置１０は、積分回路の入力側でノイズ成分を打ち消すように動作するため、ノイズ成分の影響を受けることなく、検出信号である電荷信号Ｑｉを少ない誤差により積分することが可能となり、高精度の圧力検出を実現できる。また、エンジン１の回転数が変動するなどにより、圧力検出装置１０に到来するノイズが変化したり、瞬間的に大きなピークノイズが到来しても、オペアンプ３１の反転入力端子と非反転入力端子には、変化するノイズ成分が同時に入力されるため、ノイズの変化をリアルタイムに捕らえ、ノイズ成分を動的に打ち打ち消すことができる。この結果、エンジン１が、どのような状態にあっても、常にノイズ成分の少ない出力信号を得ることができる。しかも、オペアンプ３２による増幅回路の動作基準には、レギュレータによる基準電源３４からの安定した第２基準電圧Ｖｒ２を用いるため、たとえ、電源電圧Ｖｄｄが何らかの要因で変動しても、第２基準電圧Ｖｒ２は変化しない。これにより、オペアンプ３２は安定して動作し、電圧レベルの変動が少ない高精度の出力信号を得ることができる。加えて、コンピュータ等のデジタル機器を使用することなくノイズ除去を行うことができるため、低コスト性及びメンテナンス性に優れた小型軽量の圧力検出装置として提供できる。
なお、図６には、第１実施形態に係る圧力検出装置１０の変更例、特に、処理回路３０の変形例となる処理回路４０を示す。
変形例となる処理回路４０は、出力信号の低出力インピーダンス化のために、最終段にボルテージフォロア回路を追加したものであり、ボルテージフォロア回路はオペアンプ３６により構成する。なお、オペアンプ３６以外のオペアンプ３１による積分回路，オペアンプ３２による増幅回路，外付けの二つの分圧抵抗Ｒ１、Ｒ２とオペアンプ３３による第１基準電源，及び第２基準電源３４は、図３と同様の回路構成となるため、同一部分には同一番号を付してその詳細な説明は省略する。また、検出部２０と導電部１１も図３と同様になるため、図示を省略した。
図６において、オペアンプ３２の出力となる出力信号Ｖｏｕｔ２は、オペアンプ３６の非反転入力端子に付与される。これにより、オペアンプ３６の出力端子からは出力信号Ｖｏｕｔ３が出力し、この出力は処理回路４０から外部への出力となる。また、反転入力端子は出力端子に対してダイレクトに接続する。したがって、オペアンプ３６は、ボルテージフォロア回路として動作し、オペアンプ３２の出力、即ち、出力信号Ｖｏｕｔ２は、低出力インピーダンスに変換された出力信号Ｖｏｕｔ３として出力する。このように、図６に示す変形例は、積分回路の後段に二つの増幅回路を設けたものとなる。なお、オペアンプ３６の後段には、ローパスフィルタ回路を設け、高周波のノイズ成分を除去してから出力信号Ｖｏｕｔ３を出力してもよい。また、出力信号Ｖｏｕｔ３は、出力信号Ｖｏｕｔ２に対して出力インピーダンスが異なるのみとなり、その電圧波形は、図５（ｂ）と同様になるため、図示による説明は省略する。
以上のように、図６に示す変形例に係る処理回路４０は、最終段にボルテージフォロア回路を追加したため、出力信号Ｖｏｕｔ３の出力インピーダンスをきわめて低い値に変換することができる。この結果、図３の処理回路３０と同様の効果を得ることに加え、出力信号Ｖｏｕｔ３に外来ノイズ等が乗る不具合を回避できるため、耐ノイズ特性に優れた高精度の圧力検出装置を実現できる。
次に、第２実施形態に係る圧力検出装置５０について、図７を参照して説明する。図７に示す圧力検出装置５０は、図３に示した第１実施形態と同様に、検出部２０と処理回路６０を備えている。検出部２０は図３に示した第１実施形態と同一となるため、同一部分には同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。また、例示の処理回路６０はワンチップの集積回路により構成し、その基本構成は、図３に示した第１実施形態の処理回路３０同様に構成するため、一部の構成要素以外の同一部分については同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。この処理回路６０は第１実施形態と同様に、単電源で動作する三つのオペアンプ３１、３２、３３と、レギュレータによる第２基準電源３４を有する。さらに、オペアンプ３１により積分回路が構成されるとともに、オペアンプ３２により増幅回路が構成され、
一方、オペアンプ３３と分圧抵抗回路による分圧抵抗方式により第１基準電源が構成される。この場合、第１基準電源を構成する分圧抵抗回路としての二つの分圧抵抗Ｒ１１とＲ１２は、図示のように集積回路となる処理回路６０に内蔵する。即ち、集積回路に内蔵する分圧抵抗Ｒ１１の一方の端子は電源電圧Ｖｄｄに接続され、他方の端子は集積回路に内蔵する分圧抵抗Ｒ１２の一方の端子に接続され、分圧抵抗Ｒ１２の他方の端子は回路のＧＮＤに接続される。そして、分圧抵抗Ｒ１１とＲ１２の接続点Ａがオペアンプ３３の非反転入力端子に入力する。これにより、電源電圧Ｖｄｄは集積回路に内蔵する分圧抵抗Ｒ１１とＲ１２によって分圧され、接続点Ａは電源電圧Ｖｄｄが分圧された分圧電圧Ｖａを出力してオペアンプ３３の非反転入力端子に入力する。オペアンプ３３は第１実施形態と同様にボルテージフォロア回路として動作し、出力端子から第１基準電圧Ｖｒ２１を出力する。なお、第１基準電圧Ｖｒ２１の電圧値は、第１の実施形態と同様に分圧抵抗Ｒ１１とＲ１２の抵抗値比により決定され、例示の第１基準電圧Ｖｒ２１は、ＤＣ１．０Ｖである。
第２実施形態は、分圧抵抗回路としての分圧抵抗Ｒ１１とＲ１２を一つの集積回路として構成する処理回路６０に内蔵、即ち、集積回路の内部に配したものであり、分圧抵抗回路を集積回路の外部に配した第１実施形態の処理回路３０と異なる点である。このように、少なくとも一部を集積回路により構成する処理回路３０を設ければ、変圧回路３５は、第１実施形態のように集積回路の外部に配するのみではなく、集積回路に内蔵させることも可能となる。いずれの状態であってもノイズ低減効果を確保できるため、例えば、限られた配設スペースの場合であっても組込み上の設計自由度を高めることができる。特に、集積回路に内蔵させた場合には、部品点数の削減が可能になるため、圧力検出装置の信頼性を高めることができる。また、内蔵抵抗の抵抗値比率のばらつきが小さくなり、第１基準電圧Ｖｒ２１の電圧値のばらつきを低減できる。第２実施形態に係る圧力検出装置５０も、第１実施形態の圧力検出装置１０と同様にエンジン１に装着することができる。
このような回路構成を有する第２実施形態に係る圧力検出装置５０は、第１基準電圧Ｖｒ２１を動作基準とし、入力する電荷信号Ｑｉをオペアンプ３１による積分回路により積分して出力信号Ｖｏｕｔ２１を出力する。また、オペアンプ３２による増幅回路により第２基準電圧Ｖｒ２２を動作基準として所定の増幅率により増幅した出力信号Ｖｏｕｔ２２を出力する。なお、オペアンプ３３の出力となる第１基準電圧Ｖｒ２１には、第１実施形態の第１基準電圧Ｖｒ１と同様に、前述した図１に示すエンジン１から発生する放射ノイズや電磁誘導ノイズ等によるノイズ成分Ｎ１が含まれている（図４（ｃ）参照）。このため、オペアンプ３１の反転入力端子に入力する電荷信号Ｑｉに含まれるノイズ成分Ｎｉと第１基準電圧Ｖｒ２１に含まれるノイズ成分Ｎ１は打ち消し、ノイズ成分をほとんど含まない出力信号Ｖｏｕｔ２１を得ることができる。
この結果、第２実施形態の圧力検出装置５０は、前述した第１実施形態の圧力検出装置１０と同様に、ノイズの影響を低減した出力信号を得ることができるとともに、高精度の圧力検出を実現できる。さらに、第２実施形態は、前述した第１実施形態の変形例と同様に、増幅回路の最終段にボルテージフォロア回路を追加して、出力インピーダンスをきわめて低い値に変換する構成を含ませることもできる。これにより、耐ノイズ特性に優れた高精度の圧力検出装置を実現できる。
次に、第３実施形態に係る圧力検出装置７０について、図８を参照して説明する。図８に示す圧力検出装置７０は、図３に示した第１実施形態と同様に、検出部２０と処理回路８０を備えている。図８において、第３の実施形態圧力検出装置７０は、第１実施形態と同様に、検出部２０と処理回路８０を備えている。検出部２０は第１実施形態と同一であるため、同一部分には同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。また、処理回路８０の構成において、第１実施形態の処理回路３０（図３参照）と同様の構成要素は同一番号を付し、その詳細な説明は省略する。
この場合、処理回路８０は、第１実施形態と同様に、単電源で動作する三つのオペアンプ３１、３２、３３を有している。そして、オペアンプ３１によって積分回路が構成され、オペアンプ３２によって増幅回路が構成され、またオペアンプ３３と分圧抵抗回路とによる分圧抵抗方式によって第１基準電源が構成される。第３実施形態において、第１の実施形態の異なるところは、レギュレータによる第２基準電源３４（図３参照）がなく、分圧抵抗方式の一つの基準電源によりオペアンプ３１、３２、３３を動作させた点である。この実施形態では、オペアンプ３２の非反転入力の非反転入力端子は抵抗Ｒ４を介して第１基準電源からの基準電圧Ｖｒ１が接続され、反転入力端子には抵抗Ｒ５を介して第１基準電源からの基準電圧Ｖｒ１が接続されている。このような構成とすることで、ノイズ成分をほとんど含まない基準電圧Ｖｒ２がオペアンプ３２に入力される第１の実施形態に対し、ノイズ成分を含んだ基準電圧Ｖｒ１が入力される点でノイズの影響は受けやすいという面はあるが、基準電源を一つとすることができ回路の小型化が可能となっている。またノイズの影響については、オペアンプ３１の出力信号Ｖｏｕｔ１はノイズ成分をほぼ含まない構成としているため、従来技術と比較すればノイズ影響の小さい圧力検出装置を実現している。
以上、最良実施形態（及び変更実施形態）について詳細に説明したが、本発明は、このような実施形態に限定されるものではなく、細部の構成，形状，素材，数量，手法等において、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、任意に変更，追加，削除することができる。
例えば、変圧回路３５として、複数の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を組合わせた分圧抵抗回路により構成した場合を例示したが、外部の電源から付与される電源電圧Ｖｄｄに対して変圧のみを行うことにより所定の電圧値となる第１基準電圧Ｖｒ１を得る機能を有するものであれば、他の回路を用いた構成を排除するものではない。また、積分回路３１，第２基準電圧Ｖｒ２を得る回路をはじめ、例示した各回路等は、これらに限定されるものではなく、同様の機能を有する他の回路等で置換することができる。さらに、処理回路３０における最終段のボルテージフォロア回路を設けるか否かは任意である。
本発明に係る圧力検出装置は、エンジンの燃焼圧の検出をはじめ、様々な用途の圧力検出に幅広く利用することができる。
Claims (10)
- 圧力を受けることにより当該圧力に対応した検出信号を出力する圧力検出素子とこの圧力検出素子から出力する検出信号を処理して出力する処理回路とを備えてなる圧力検出装置であって、外部の電源から付与される電源電圧に対して変圧のみを行うことにより所定の電圧値となる第１基準電圧を得る変圧回路と、この第１基準電圧を動作基準として前記検出信号を積分処理することにより電圧波形に変換する積分回路と、所定の電圧値となる第２基準電圧を動作基準として前記積分回路からの出力信号を増幅処理する少なくとも一つ以上の増幅回路とを有する前記処理回路を備えることを特徴とする圧力検出装置。
- 前記変圧回路は、複数の分圧抵抗を組合わせた分圧抵抗回路により構成することを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 前記積分回路は、単電源で動作し、かつ前記検出信号と前記第１基準電圧を差動増幅することによりノイズ成分を打ち消す演算増幅回路により構成することを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 前記第２基準電圧は、前記電源電圧を安定化させるレギュレータを用いた第二基準電源の出力から得ることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 前記第２基準電圧は、前記変圧回路から得ることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 前記処理回路は、最終段にボルテージフォロア回路を備えることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 前記処理回路は、少なくとも一部を集積回路により構成するとともに、前記変圧回路を前記集積回路の外部に配してなることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の圧力検出装置。
- 前記処理回路は、少なくとも一部を集積回路により構成するとともに、前記変圧回路を前記集積回路に内蔵してなることを特徴とする請求項１～６のいずれかに記載の圧力検出装置。
- 前記検出信号は、前記圧力検出素子として用いた圧電素子から得る電荷信号であることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
- 自動車に搭載するエンジンの燃焼圧を検出する圧力検出装置に適用してなることを特徴とする請求項１記載の圧力検出装置。
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