WO2017164183A1 - 圧電センサ - Google Patents

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WO2017164183A1
WO2017164183A1 PCT/JP2017/011258 JP2017011258W WO2017164183A1 WO 2017164183 A1 WO2017164183 A1 WO 2017164183A1 JP 2017011258 W JP2017011258 W JP 2017011258W WO 2017164183 A1 WO2017164183 A1 WO 2017164183A1
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amplification
reference voltage
terminal
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里克 中村
正徳 四方山
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シチズンファインデバイス株式会社
シチズン時計株式会社
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    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/02—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning
    • G01L9/06—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in ohmic resistance, e.g. of potentiometers, electric circuits therefor, e.g. bridges, amplifiers or signal conditioning of piezo-resistive devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • H—ELECTRICITY
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    • H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
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    • H10N30/80—Constructional details
    • H10N30/802—Circuitry or processes for operating piezoelectric or electrostrictive devices not otherwise provided for, e.g. drive circuits

Definitions

  • the present invention relates to a piezoelectric sensor that measures a physical quantity with a piezoelectric element, integrates a current signal of a measurement result, amplifies it, and outputs it.
  • Piezoelectric sensors that use piezoelectric elements that generate charges according to the amount of physical deformation are often used as sensors for measuring engine combustion pressure because they have excellent sensitivity and do not lose accuracy even in high-temperature environments. .
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of the configuration of a conventional piezoelectric sensor.
  • 301 is a piezoelectric element
  • 302 is a DC blocking capacity
  • 303 is a discharge resistance
  • 304 is a charging capacity
  • 305 is an operational amplifier for integration
  • 312 is a feedback terminal
  • 313 is a signal output terminal
  • 315 Denotes a signal input terminal
  • 306 denotes a reference voltage source
  • 307 denotes an amplification resistor a
  • 308 denotes an amplification resistor b
  • 309 denotes an operational amplifier for amplification
  • 310 denotes an integrated circuit.
  • the piezoelectric element 301 has a pair of electrodes on the surface thereof, and outputs a charge signal from the electrodes according to the stress applied to the piezoelectric element 301.
  • the configuration in which the wiring is routed from the electrode and input to the circuit block becomes very complicated. Therefore, as shown in FIG. 3, one of the electrodes is grounded and a signal is taken from the other electrode. Commonly used.
  • the other electrode is connected to the negative input terminal of the integrating operational amplifier 305 via a DC blocking capacitor 302.
  • the integration operational amplifier 305 has a charge capacitor 304 and a discharge resistor 303 connected in parallel between the negative input terminal and the output terminal, and a reference voltage source 306 connected to the positive input terminal.
  • An integration circuit is configured by 305, the charge capacitor 304, and the discharge resistor 303.
  • the AC charge signal output from the piezoelectric element 301 is accumulated in a charging capacitor 304 provided between the input and output of the integration operational amplifier 305 via a DC blocking capacitor 302 for cutting a DC component, and is integrated. It is converted into the signal Vo1.
  • the discharge resistor 303 is provided to prevent the charge capacitor 304 from being saturated when the positive / negative balance of the AC charge signal is not uniform.
  • the charge / discharge time constant determined by the charge capacitor 304 and the discharge resistor 303 is The period of the detection signal needs to be sufficiently long.
  • the reference voltage source 306 is for applying a predetermined bias voltage to the integrating circuit and the amplifying circuit, and a voltage regulator circuit using a band gap voltage of a transistor is generally used.
  • An amplifier circuit that amplifies the output signal Vo1 of the integration operational amplifier 305 and outputs an output signal Vout as a piezoelectric sensor is provided at the subsequent stage of the integration operational amplifier 305.
  • the amplification circuit is configured by an amplification operational amplifier 309, an amplification resistor a307, and an amplification resistor b308.
  • the amplification resistor b308 is connected between the negative input terminal and the output terminal of the amplification operational amplifier 309, and the positive input terminal.
  • a reference voltage source 306 is connected via an amplification resistor a307.
  • the circuit block can be composed of discrete components, but it is advantageous to build it into a single integrated circuit in terms of space and cost.
  • an integration operational amplifier 305, an amplification operational amplifier 309, a reference voltage source 306, an amplification resistor a307, and an amplification resistor b308 are integrated to form an integrated circuit 310.
  • the charge capacitor 304 and the discharge resistor 303 are generally provided outside the integrated circuit 310. This is because the charging capacity 304 and the discharge resistance 303 are usually large, so that it is difficult to make them inside the integrated circuit 310.
  • An input / output terminal is provided at a connection point between the integrated circuit 310 and the outside.
  • a connection point between the integration operational amplifier 305 and the piezoelectric element 301 is a signal input terminal 315, an output of the integration operational amplifier 305, a discharge resistor 303, and a charge.
  • a connection point with the capacitor 304 is provided with a feedback terminal 312, and a connection point between the output of the operational amplifier for amplification 309 and the outside is provided with a signal output terminal 313.
  • FIG. 5 is a diagram showing another example of a conventional piezoelectric sensor.
  • the piezoelectric sensor includes an integration circuit including a piezoelectric element 501, an integration operational amplifier 505, a discharge resistor 503, and a charge capacity 504, a reference voltage source 506, and an amplification operational amplifier 509.
  • the charge capacitor 304 and the discharge resistor 303 are provided between the input and output of the integration operational amplifier 305.
  • a charge capacity 504 and a discharge resistor 503 are provided between the terminal and the reference voltage source 506.
  • the amplifier circuit is a one-stage forward rotation amplifier circuit.
  • the output signal of the integration operational amplifier 505 is input to the negative input terminal of the amplification operational amplifier 509 via the amplification resistor a507.
  • an amplification resistor b508 is connected between the negative side input terminal and the output terminal, and the positive side input terminal is configured by a one-stage inverting amplifier circuit connected to the reference voltage source 506.
  • the amplifier circuit can also have a multi-stage configuration.
  • the variation in the measurement sensitivity of the output signal Vout of the piezoelectric sensor for each product must be kept as small as possible.
  • the magnitude of the charge signal generated from the piezoelectric element has a relatively large difference in the generated charge due to slight differences in the generation process of the piezoelectric element crystal and processing accuracy, and is required for the output signal Vout of the piezoelectric sensor. It is difficult to meet accuracy.
  • FIG. 4 is an example of a ladder resistor for adjusting the amplification factor, and is composed of a four-stage resistor circuit (R1 to R4) connected in series with the resistor Rf.
  • R1 to R4 By cutting the wiring from P1 to P4 of the resistance circuit at each stage, 16 resistance values can be set from the minimum Rf to the maximum Rf + R1 + R2 + R3 + R4.
  • the ladder resistor By using the ladder resistor as the amplification resistor a, the amplification resistor b, or both, and cutting the wirings P1 to P4 with a laser or an end mill, the amplification factor can be adjusted.
  • FIG. 6 is an exploded perspective view showing the structure of a combustion pressure sensor which is an example of a piezoelectric sensor.
  • a diaphragm head 601 for transmitting the combustion pressure to the piezoelectric element 604 is provided at the front end portion of the front housing 603, and a fixing screw 602 for fixing the combustion pressure sensor to the engine is provided in the middle.
  • the piezoelectric element 604, the conductive wire 605, the circuit board 606, and the circuit case 607 are housed in a front housing 603 and a rear housing 609, and the front housing 603 and the rear housing 609 are welded to constitute a combustion pressure sensor.
  • the circuit board 606 needs to be exposed to the outside, and the gain adjustment is performed in a semi-finished state where the rear housing 609 is not attached. After that, the rear housing 609 is attached and welded.
  • the amplification factor in the state of the finished product may be different from the amplification factor at the time of adjustment, and there is a problem that the desired amplification factor is not set correctly.
  • the gain is generally adjusted while actually applying pressure to the sensor and monitoring the output.
  • the cut pattern and the written trimmable resistance cannot be restored. Therefore, there is a problem that it is difficult to adjust with high accuracy.
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor capable of adjusting an amplification factor and the like with high accuracy in a short time in a finished product state. .
  • a piezoelectric sensor includes a piezoelectric element for detecting pressure, an integration circuit that integrates a current signal output from the piezoelectric element into a voltage signal, and Amplifying circuit for amplifying output and outputting to outside, reference voltage source for defining offset voltage of output signal outputted from said amplifying circuit, and writable memory for storing information for setting amplification factor of said amplifying circuit And a write terminal for writing the information to the memory, wherein the integration circuit, the amplifier circuit, the reference voltage source, and the memory are housed in a single integrated circuit.
  • the write terminal may be provided in an external connection connector that connects the single integrated circuit and the outside.
  • the piezoelectric sensor of the present invention is a piezoelectric element for detecting pressure, an integration circuit that integrates a current signal output from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal, and amplifies the output of the integration circuit, An amplifier circuit that outputs to the outside, a reference voltage source that defines an offset voltage of an output signal output from the amplifier circuit, a writable memory that stores information for setting the offset voltage of the reference voltage source, and And a writing terminal for writing information to the memory, wherein the integrating circuit, the amplifier circuit, the reference voltage source and the memory are housed in a single integrated circuit.
  • the write terminal may be provided in an external connection connector that connects the single integrated circuit and the outside.
  • the piezoelectric sensor of the present invention is a piezoelectric element for detecting pressure, an integration circuit that integrates a current signal output from the piezoelectric element and converts it into a voltage signal, and amplifies the output of the integration circuit, An amplifier circuit that outputs to the outside, a reference voltage source that defines an offset voltage of the output signal output from the amplifier circuit, a clip circuit for limiting the output of the amplifier circuit to a specified range, and a clip of the clip circuit A writable memory for storing information for setting a voltage, and a write terminal for writing the information to the memory, the integrating circuit, the amplifying circuit, the reference voltage source, the clip circuit, and the memory, It is characterized by being housed in a single integrated circuit.
  • the write terminal may be provided in an external connection connector that connects the single integrated circuit and the outside.
  • the present invention it is possible to provide a piezoelectric sensor capable of adjusting an amplification factor with high accuracy in a short time in a finished product state.
  • the figure which shows one Example of the piezoelectric sensor of this invention (Example 1)
  • the figure which shows the structural example which changes resistance value with the memory contents The figure which shows the structural example of the conventional combustion pressure sensor
  • the figure which shows the other structural example of the conventional combustion pressure sensor Exploded perspective view showing an example of the mechanical structure of a combustion pressure sensor (A), (b) is a figure which shows the connection terminal part of the piezoelectric sensor of this invention, and the exterior.
  • FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the present invention.
  • 101 is a piezoelectric element
  • 102 is a DC blocking capacity
  • 103 is a discharge resistance
  • 104 is a charging capacity
  • 105 is an operational amplifier for integration
  • 112 is a feedback terminal
  • 113 is a signal output terminal
  • 106 is a reference voltage source
  • 107 is an amplification resistor a
  • 108 is an amplification resistor b
  • 109 is an operational amplifier for amplification
  • 110 is an integrated circuit
  • 111 is a nonvolatile memory. Yes.
  • the piezoelectric element 101 has a pair of electrodes on the surface thereof, and outputs a charge signal from the electrodes according to the stress applied to the piezoelectric element 101.
  • the piezoelectric element 101 has one electrode grounded, and the other electrode connected to the negative input terminal of the integration operational amplifier 105 via the DC blocking capacitor 102.
  • the integration operational amplifier 105 includes a charge capacitor 104 and a discharge resistor 103 connected in parallel between a negative input terminal and an output terminal, and a reference voltage source 106 connected to the positive input terminal.
  • An integrating circuit is configured by 105, the charging capacity 104, and the discharging resistor 103.
  • the AC charge signal output from the piezoelectric element 101 is accumulated in the charging capacitor 104 provided between the input and output of the integration operational amplifier 105 via the DC blocking capacitor 102 for cutting the DC component, and is integrated. It is converted into the signal Vo1.
  • the reference voltage source 106 is for applying a predetermined bias voltage to the integrating circuit and the amplifying circuit.
  • An amplifier circuit that amplifies the output signal Vo1 of the integration operational amplifier 105 and outputs an output signal Vout as a piezoelectric sensor is provided at the subsequent stage of the integration operational amplifier 105.
  • the amplifier circuit includes an amplification operational amplifier 109, an amplification resistor a107, and an amplification resistor b108.
  • the amplification resistor b108 is connected between the negative input terminal and the output terminal of the amplification operational amplifier 109, and the positive input terminal.
  • a reference voltage source 106 is connected via an amplification resistor a107.
  • the integration operational amplifier 105, the amplification operational amplifier 109, the reference voltage source 106, the amplification resistor a107, and the amplification resistor b108 are integrated to form an integrated circuit 110.
  • the integrated circuit 110 includes a nonvolatile memory 111 that stores information for setting the amplification factor of the amplifier circuit.
  • An input / output terminal is provided at a connection point between the integrated circuit 110 and the outside.
  • a connection point between the integration operational amplifier 105 and the piezoelectric element 101 is a signal input terminal 115, an output of the integration operational amplifier 105, a discharge resistor 103, and a charge.
  • a connection point with the capacitor 104 includes a feedback terminal 112, a connection point between the output of the amplification operational amplifier 109 and the outside includes a signal output terminal 113, and a write terminal 114 for writing information to the nonvolatile memory 111 from the outside. .
  • the integrated circuit 110 includes a nonvolatile memory 111 that stores information for setting the amplification factor of the amplifier circuit. Information is input to the nonvolatile memory 111 from the write terminal 114, and the amplification resistance is determined based on the information. The value of a107 is controlled, and the amplification factor of the detection signal can be varied.
  • the amplification resistor a107 is configured by a ladder resistor so that its value can be varied.
  • the resistor whose value is controlled by the nonvolatile memory 111 is the amplification resistor a107, but the value of the amplification resistor b108 may be controlled, or both the amplification resistor a107 and the amplification resistor b108 are controlled. It is good also as a structure.
  • Information to be stored in the nonvolatile memory 111 is written by inputting serial data from a write terminal 114 connected to the nonvolatile memory 111.
  • serial data writing formats There are many types of serial data writing formats that are already widely used, and any of these may be selected and adopted as appropriate. Although the number of write terminals 114 varies depending on the type of format, in general, a write format having a larger number of terminals can be written at a higher speed.
  • FIG. 2 shows a configuration example in which the resistance value is changed by the nonvolatile memory 111.
  • Information written from the write terminal 114 is decoded by the address / data control circuit 202 and written to the target memory cell 203. Then, according to the output level of the memory cell 203, the semiconductor switch 204 is opened and closed, and the amplification resistor a107 changes to a desired resistance value.
  • the nonvolatile memory 111 includes a rewritable memory such as an EEPROM and a flash ROM, and a one-time write memory such as an OTPROM and a fuse ROM. Both types can be used in the present invention.
  • the gain can be accurately adjusted by combining a rewritable volatile memory and a non-volatile memory. That is, in the amplification factor adjustment step, the output voltage is monitored and adjusted while writing information to the volatile memory, and when an appropriate amplification factor is determined, the value is written to the nonvolatile memory.
  • the volatile memory has a data writing speed much faster than that of the nonvolatile memory, the combination of the volatile memory and the nonvolatile memory is useful even when a rewritable nonvolatile memory is used.
  • FIG. 7 is a view showing a connection terminal portion between the piezoelectric sensor of the present invention and the outside, and is an example in which a connection terminal portion is provided at the end of the combustion pressure sensor shown in FIG. 6 on the rear housing 609 side.
  • the external connection connector 702 provided with a user terminal 703 (generally, in many cases, the supply power supply, the supply GND, and the output signal are provided) as the connection terminal portion of the sensor. It has.
  • the external connection connector 702 together with the write terminal 114, the gain data can be written in the sensor completed state.
  • the output signal when pressure is applied to the sensor by coupling the female connector with the external connection connector 702 in which all the user terminals 703 and the write terminals 114 are electrically connected. Is monitored from the user terminal 703, data is written to the write terminal 114, and the gain is adjusted.
  • the write terminal 114 is used only in the manufacturing gain adjustment process, but in the case of the connector of FIG. 7A, the non-conductive coupling corresponding to the write terminal 114 is also applied to the female socket used by the user. A hole is required. For this reason, there is a problem that the number of terminals of the user female socket increases and the cost increases.
  • the connector structure shown in FIG. 7B solves the above problem.
  • the write terminal 114 is provided at a position deeper than the end of the user terminal 703, and the user can use a three-terminal female connector coupled to only the user terminal 703 as it is.
  • the female connector used in the manufacturing amplification factor adjustment step is provided with a longer coupling hole for user terminal coupling, which can be conductively coupled to the writing terminal 114, and is electrically connected to the writing terminal 114. Adjustments can be made.
  • FIG. 8 is a diagram showing another example of the latter stage of the amplifier circuit of the present embodiment, and the former stage of the amplifier circuit has the same configuration as the piezoelectric sensor shown in FIG.
  • the output of the amplification operational amplifier 109 and the nonvolatile memory 111 are switchably connected to the subsequent stage of the amplification circuit composed of the amplification operational amplifier 109, the amplification resistor a107, and the amplification resistor b108, and are connected to the shared terminal 813.
  • An electronic switch 818 is provided.
  • the integrated circuit 110 is provided with a power supply monitor circuit 816 that is constantly supplied with a power supply voltage Vdd from the outside via a power supply terminal 815 and is connected to the constant power supply voltage Vdd.
  • the power supply monitor circuit 816 constantly monitors the power supply voltage Vdd, and when the power supply voltage Vdd is less than the specified value, the electronic switch 818 is switched in a direction to connect the output of the amplification operational amplifier 109 and the shared terminal 813. On the contrary, when the power supply voltage Vdd is equal to or higher than the specified value, the electronic switch 818 is switched in the direction in which the write terminal and the shared terminal 813 of the nonvolatile memory 111 are connected.
  • the user can
  • the shared terminal 813 can always be used as an output terminal.
  • the manufacturing gain adjustment step first, the power supply voltage Vdd is raised to a specified value or more, information is written to the nonvolatile memory 111, and then the power supply voltage Vdd is lowered to a user power supply voltage less than the specified value.
  • the gain can be adjusted by the procedure of monitoring the value of Vout.
  • FIG. 9 is a diagram showing another embodiment of the piezoelectric sensor of the present invention.
  • description of parts common to the first embodiment shown in FIG. 1 will be omitted, and a characteristic configuration of the present embodiment will be described.
  • the same reference numerals are used for the components common to the first embodiment shown in FIG.
  • the integrated circuit 110 is connected to the amplification resistor a107 and the reference voltage source 906 and stores information for determining the amplification factor of the amplifier circuit and information for determining the offset voltage of the reference voltage source 906. 911, and at least one of the value of the amplification resistor a107 and the offset voltage of the reference voltage source 906 is controlled by information written in the nonvolatile memory 911, and the amplification factor of the detection signal can be varied.
  • the reference voltage VR output from the reference voltage source 906 defines the DC offset voltage of the output signal Vout.
  • the reference voltage VR is constant.
  • FIG. 9 by making the value of the reference voltage VR variable according to the contents of the nonvolatile memory 911, a combustion pressure sensor with higher added value can be obtained. Can be provided.
  • One of the purposes for making the reference voltage VR variable is when the required DC offset voltage differs depending on the user or the model.
  • the offset voltage value is known in advance, an integrated circuit corresponding to the offset voltage value can be prepared, or the reference voltage value can be adjusted with a variable resistor.
  • a nonvolatile memory built in the integrated circuit 110 can be used. If the offset voltage value can be adjusted according to 911, the same integrated circuit can be used for different models, and there is no need for manual variable resistance adjustment.
  • the reference voltage VR variable Another purpose of making the reference voltage VR variable is fine adjustment of the reference voltage.
  • the reference voltage source is often composed of a band gap regulator that is not easily affected by variations in semiconductor manufacturing. However, voltage variations of several millivolts to several tens of millivolts still occur between lots of integrated circuits or within lots. .
  • the reference voltage can be finely adjusted by writing data to the nonvolatile memory 911 while monitoring the output signal Vout. it can.
  • FIG. 10 shows an example of a circuit configuration for changing the reference voltage.
  • the reference voltage source 906 includes a band gap regulator 1001, an operational amplifier 1002, and two variable resistors 1003 and 1004.
  • the output of the bandgap regulator 1001 is connected to the GND potential via the positive input terminal of the operational amplifier 1002 and the variable resistor 1003, and the variable resistor 1004 is connected between the negative input terminal and the output terminal of the operational amplifier 1002.
  • the variable resistors 1003 and 1004 are connected to the nonvolatile memory 911.
  • the voltage VB output from the band gap regulator 1001 is converted into a reference voltage VR by the operational amplifier 1002 and the two variable resistors 1003 and 1004.
  • the value of the reference voltage VR can be adjusted.
  • An automotive engine combustion pressure sensor as a piezoelectric sensor may require an output voltage clipping function. This is a function that makes voltage clipping control work for voltages that exceed the predetermined upper and lower limit voltages, so that the sensor always outputs a voltage within the range from the lower limit to the upper limit. Used for diagnosis. If the voltage outside the clip voltage range is monitored by the engine-side ECU that receives the sensor output, an abnormal situation such as sensor failure or cable disconnection is assumed.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a combustion pressure sensor having a clip function, wherein (a) is a graph showing an example of an output voltage of the combustion pressure sensor having a clip function, and (b) is a voltage clip. It is a figure which shows the example of a circuit.
  • the solid line indicates the output voltage, and when the waveform exceeds the clip upper limit voltage, the voltage is clipped to the upper limit voltage and output.
  • FIG. 11B is a circuit diagram showing an example of a voltage clipping circuit using bipolar transistors.
  • the upper stage in the figure is the upper limit clipping circuit and the lower stage is the lower limit clipping circuit with respect to the amplifier circuit output.
  • the gate of the npn transistor is connected to the connection point of resistors 1105 and 1106 connected in series between a power supply voltage Vdd (not shown) and GND, the collector of the npn transistor is connected to the power supply voltage Vdd, and the emitter is connected to the resistor. And is connected to GND.
  • the emitter of the npn transistor is connected to the base of the pnp transistor.
  • the collector of the pnp transistor is connected to GND, and the emitter is connected to the amplifier circuit output line.
  • the voltage obtained by subtracting the base-emitter voltage of the npn transistor from the divided voltage of the resistors 1105 and 1106 and adding the base-emitter voltage of the pnp transistor is the maximum specified voltage.
  • the gate of a pnp transistor is connected to the connection point of resistors 1107 and 1108 connected in series between a power supply voltage Vdd (not shown) and GND, the collector of the pnp transistor is connected to GND, and the emitter is connected to a resistor. And is connected to the power supply voltage Vdd.
  • the emitter of the pnp transistor is connected to the base of the npn transistor.
  • the collector of the npn transistor is connected to the power supply voltage Vdd, and the emitter is connected to the amplifier circuit output line.
  • the divided voltages of the resistors 1107 and 1108 are substantially equal to the minimum specified voltage.
  • FIG. 12 shows a configuration example.
  • FIG. 12 is a diagram showing another embodiment of the piezoelectric sensor of the present invention.
  • description of the parts common to the first and second embodiments shown in FIGS. 1 and 9 will be omitted, and the characteristic configuration of the present embodiment will be described.
  • the same reference numerals are used for the components common to the first embodiment shown in FIG.
  • a clip circuit 1215 and a nonvolatile memory 1211 are provided in the integrated circuit 110 and subsequent to the amplifier circuit.
  • the nonvolatile memory 1211 is connected to the amplification resistor a107, the reference voltage source 906, and the clip circuit 1215, and information for determining the amplification factor of the amplifier circuit, information for determining the offset voltage of the reference voltage source 906, and clipping of the clip circuit 1215 Information for determining the voltage is stored, and at least one of the value of the amplifying resistor a107, the offset voltage of the reference voltage source 906, or the clip voltage of the clip circuit 1215 is controlled and detected by the information written in the nonvolatile memory 1211
  • the signal amplification factor can be varied.
  • the clip circuit 1215 is stored in the nonvolatile memory 1211 with any one of the resistors 1105, 1106, 1107, and 1108 in the voltage clip circuit shown in FIG.
  • the resistance value in the clip circuit 1215 may be changed according to the information.
  • the piezoelectric sensor of the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made to the above-described embodiments without departing from the spirit of the present invention. Including those with.
  • 101, 301, 501 Piezoelectric element
  • 102, 302 DC blocking capacity
  • 103, 303, 503 Discharge resistance
  • 104, 304, 504 ... Charging capacity
  • 105, 305, 505 Operational amplifier for integration
  • 106, 306, 506, 906 Reference voltage source, 107, 307, 507 ...

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Abstract

圧電センサにおいて、配線パターンの切断や、レーザートリマブル抵抗を使った、従来の増幅率調整方法は、センサ完成状態で、増幅率の調整ができないため、製造工程が複雑になり、製造コストの上昇につながる。また完成品とは異なる状態で増幅率調整を行うため、完成品の増幅率が正しく設定されないという問題も発生する。　圧電センサの回路素子を集積した集積回路１１０に、不揮発性メモリ１１１を内蔵し、書込み端子１１４からデータを書込むことで、増幅抵抗ａ１０７を変化させ、増幅率の調整を行う。

Description

圧電センサ
　本発明は、圧電素子によって物理量を測定し、測定結果の電流信号を積分し、増幅して出力する圧電センサに関するものである。
　物理的な変形量に応じて電荷が発生する圧電素子を使用した圧電センサは、感度に優れ、また高温環境下でも精度が落ちないため、エンジンの燃焼圧を測定するセンサとして多く用いられている。
　図３は、従来の圧電センサの構成の一例を示す図である。図３において３０１は圧電素子を、３０２は直流遮断容量を、３０３は放電抵抗を、３０４は充電容量を、３０５は積分用演算アンプを、３１２はフィードバック端子を、３１３は信号出力端子を、３１５は信号入力端子を、３０６は基準電圧源を、３０７は増幅抵抗ａを、３０８は増幅抵抗ｂを、３０９は増幅用演算アンプを、３１０は集積回路を、それぞれ示している。
　圧電素子３０１は、その表面に一対の電極を有しており、圧電素子３０１に加わった応力に応じてその電極から電荷信号を出力する。圧電素子３０１は、前記電極から配線を引き回して回路ブロックに入力する構成は非常に複雑になるため、図３に示すように、電極の一方を接地して、他方の電極から信号を取る構成が一般に用いられている。他方の電極は直流遮断容量３０２を介して積分用演算アンプ３０５の負側入力端子に接続されている。
　積分用演算アンプ３０５は、負側入力端子と出力端子との間に充電容量３０４と放電抵抗３０３が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源３０６が接続されており、積分用演算アンプ３０５と充電容量３０４、放電抵抗３０３によって積分回路が構成されている。
　圧電素子３０１から出力された交流電荷信号は、直流成分をカットするための直流遮断容量３０２を経て、積分用演算アンプ３０５の入出力間に設けられた充電容量３０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。ここで、積分用演算アンプ３０５に高入力インピーダンスのものを使用することで、圧電素子３０１の電荷信号が微小な場合でも正確に検知することが可能となる。放電抵抗３０３は、交流電荷信号の正負バランスが均等でない場合に、充電容量３０４が飽和してしまうことを防止するために設けられており、充電容量３０４と放電抵抗３０３により決まる充放電時定数は、検知信号の周期に比べて十分に長い必要がある。
　基準電圧源３０６は、積分回路および増幅回路に所定のバイアス電圧を与えるためのものであり、トランジスタのバンドギャップ電圧を利用した電圧レギュレータ回路等が一般に使用される。
　積分用演算アンプ３０５の後段には、積分用演算アンプ３０５の出力信号Ｖｏ１を増幅し、圧電センサとしての出力信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路が設けられている。増幅回路は、増幅用演算アンプ３０９、増幅抵抗ａ３０７、および増幅抵抗ｂ３０８によって構成され、増幅用演算アンプ３０９の負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ３０８が接続され、正側入力端子には増幅抵抗ａ３０７を介して基準電圧源３０６が接続された構成となっている。
　回路ブロックは、ディスクリート部品で構成することも可能であるが、スペース的にも、コスト的にも単一の集積回路に作り込んだ方が有利である。図３に示す従来例においては、積分用演算アンプ３０５、増幅用演算アンプ３０９、基準電圧源３０６、増幅抵抗ａ３０７および増幅抵抗ｂ３０８が集積回路化され集積回路３１０として構成されている。回路ブロックを単一集積回路化する場合でも、充電容量３０４と放電抵抗３０３は集積回路３１０の外部に設けられることが一般的である。これは通常、充電容量３０４と放電抵抗３０３の値が大きいため、集積回路３１０の内部に作り込むことが難しいためである。集積回路３１０とその外部との接続箇所には入出力端子が設けられ、積分用演算アンプ３０５と圧電素子３０１の接続箇所は信号入力端子３１５、積分用演算アンプ３０５の出力と放電抵抗３０３、充電容量３０４との接続箇所はフィードバック端子３１２、増幅用演算アンプ３０９の出力と外部との接続箇所は信号出力端子３１３が備えられている。
　図５は、従来の圧電センサの別の例を示す図である。圧電センサは、圧電素子５０１と、積分用演算アンプ５０５、放電抵抗５０３、充電容量５０４とで構成された積分回路、基準電圧源５０６、増幅用演算アンプ５０９を備えている。図３で示す従来例においては、充電容量３０４と放電抵抗３０３は積分用演算アンプ３０５の入出力間に設けられているが、図５に示す圧電センサでは、積分用演算アンプ５０５の正側入力端子と基準電圧源５０６との間に充電容量５０４と放電抵抗５０３を設けた構成である。また、図３において増幅回路は一段構成の正転増幅回路であるが、この例では、増幅用演算アンプ５０９の負側入力端子に積分用演算アンプ５０５の出力信号が増幅抵抗ａ５０７を介して入力され、負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ５０８を接続し、正側入力端子は基準電圧源５０６と接続された一段構成の反転増幅回路で構成されている。増幅回路は多段構成とすることも可能である。
特開２００９－１１５４８４号公報
　圧電センサの出力信号Ｖｏｕｔの製品ごとの測定感度のバラつきは、できるだけ小さく抑える必要がある。しかし圧電素子から発生する電荷信号の大きさは、圧電素子結晶の生成過程のわずかな違いや加工精度によって、発生する電荷に比較的大きな差異が発生し、圧電センサの出力信号Ｖｏｕｔに要求される精度を満たすことは難しい。
　このため、増幅回路に増幅率の調整機構を設けて、センサ組立て工程において増幅率の調整を行い、出力信号Ｖｏｕｔの精度を確保することが、一般に行われている。
　図４は増幅率調整のためのラダー抵抗の一例であり、抵抗Ｒｆと直列接続された４段の抵抗回路（Ｒ１～Ｒ４）から構成されている。各段における抵抗回路のＰ１からＰ４の配線を切断することによって、最小となるＲｆから最大となるＲｆ＋Ｒ１＋Ｒ２＋Ｒ３＋Ｒ４の１６通りの抵抗値に設定することができる。このラダー抵抗を、増幅抵抗ａ、または増幅抵抗ｂ、もしくはその両方に使用し、Ｐ１からＰ４の配線を、レーザーやエンドミルで切断することにより、増幅率の調整を行うことができる。
　また増幅抵抗ａ、または増幅抵抗ｂ、もしくはその両方に、市販のレーザートリマブル抵抗を使用して、レーザーで抵抗値を調節する方法もある。
　しかしこれらの調整方法は、センサ完成状態で、増幅率の調整ができないという問題点がある。図６は、圧電センサの一例である燃焼圧センサの構造を示した分解斜視図である。フロントハウジング６０３の先端部には、燃焼圧力を圧電素子６０４に伝えるためのダイヤフラムヘッド６０１が設けられ、また中程には燃焼圧センサを、エンジンに固定するための固定ネジ６０２が設けられている。圧電素子６０４と導線６０５、回路基板６０６、回路ケース６０７は、フロントハウジング６０３と、リアハウジング６０９中に収められ、フロントハウジング６０３とリアハウジング６０９が溶接され、燃焼圧センサとして構成されている。
　増幅率の調整を上記のように基板配線切断やレーザートリマブル抵抗で行う場合、回路基板６０６は外部に露出している必要があり、リアハウジング６０９を取り付けない半完成状態にて増幅率調整を行い、その後リアハウジング６０９の取り付け、溶接を行う。
　このような製造手順は、工程が複雑になり、製造コストの上昇につながる。また完成品とは異なる状態で増幅率調整を行うため、完成品の状態における増幅率が調整時の増幅率と異なる場合があり、所望の増幅率に正しく設定されないという問題も発生する。
　また増幅率の調整は、センサに実際に圧力等を加えて出力をモニタしながら行うのが一般的であるが、上記方法の場合、切断したパターンや、書込んだトリマブル抵抗は元に戻せないため、高精度の調整が難しいという問題もある。
　本発明は、以上の課題を解決するために成されたもので、製品完成状態において、短時間で高精度に増幅率等の調整を行うことが可能な圧電センサを提供することが目的である。
　上記課題を解決するため、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子とを備え、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリが、単一の集積回路に収められていることを特徴としている。
　この圧電センサにおいて、前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とすることができる。
　また、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記基準電圧源の前記オフセット電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子とを備え、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリが、単一の集積回路に収められていることを特徴としている。
　この圧電センサにおいて、前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とすることができる。
　また、本発明の圧電センサは、圧力を検知するための圧電素子と、前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路と、前記クリップ回路のクリップ電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子とを備え、前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源、前記クリップ回路および前記メモリが、単一の集積回路に収められていることを特徴としている。
　この圧電センサにおいて、前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とすることができる。
　本発明によれば、製品完成状態において、短時間で、高精度の増幅率調整が行える圧電センサを提供することが可能である。
本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例１） メモリ内容によって抵抗値を変化させる構成例を示す図 従来の燃焼圧センサの構成例を示す図 従来の増幅率調整用抵抗の例を示す図 従来の燃焼圧センサの他の構成例を示す図 燃焼圧センサの機械的構造例を示す分解斜視図 （ａ）、（ｂ）は、本発明の圧電センサと外部との接続端子部を示す図 書込み端子をユーザー端子と兼用する場合の構成例を示す図 本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例２） 基準電圧を可変にする構成例を示す図 （ａ）、（ｂ）は、クリップ機能を持った燃焼圧センサを説明するための図 本発明の圧電センサの一実施例を示す図（実施例３）
　本発明の圧電センサについて、その具体的な実施形態を図面に基づいて説明する。
　図１は、本発明の一実施例を示す図である。図３に示す従来例と同一の構成については一部説明を省略して説明する。図１において１０１は圧電素子を、１０２は直流遮断容量を、１０３は放電抵抗を、１０４は充電容量を、１０５は積分用演算アンプを、１１２はフィードバック端子を、１１３は信号出力端子を、１１５は信号入力端子を、１０６は基準電圧源を、１０７は増幅抵抗ａを、１０８は増幅抵抗ｂを、１０９は増幅用演算アンプを、１１０は集積回路を、１１１は不揮発性メモリをそれぞれ示している。
　圧電素子１０１は、その表面に一対の電極を有しており、圧電素子１０１に加わった応力に応じてその電極から電荷信号を出力する。圧電素子１０１は、電極の一方を接地し、他方の電極は直流遮断容量１０２を介して積分用演算アンプ１０５の負側入力端子に接続されている。
　積分用演算アンプ１０５は、負側入力端子と出力端子との間に充電容量１０４と放電抵抗１０３が並列に接続され、正側入力端子に基準電圧源１０６が接続されており、積分用演算アンプ１０５と充電容量１０４、放電抵抗１０３によって積分回路が構成されている。
　圧電素子１０１から出力された交流電荷信号は、直流成分をカットするための直流遮断容量１０２を経て、積分用演算アンプ１０５の入出力間に設けられた充電容量１０４に蓄積され、積分された電圧信号Ｖｏ１に変換される。
　基準電圧源１０６は、積分回路および増幅回路に所定のバイアス電圧を与えるためのものである。
　積分用演算アンプ１０５の後段には、積分用演算アンプ１０５の出力信号Ｖｏ１を増幅し、圧電センサとしての出力信号Ｖｏｕｔを出力する増幅回路が設けられている。増幅回路は、増幅用演算アンプ１０９、増幅抵抗ａ１０７、および増幅抵抗ｂ１０８によって構成され、増幅用演算アンプ１０９の負側入力端子と出力端子との間に増幅抵抗ｂ１０８が接続され、正側入力端子には増幅抵抗ａ１０７を介して基準電圧源１０６が接続された構成となっている。
　本実施例においては、積分用演算アンプ１０５、増幅用演算アンプ１０９、基準電圧源１０６、増幅抵抗ａ１０７および増幅抵抗ｂ１０８が集積回路化され集積回路１１０として構成されている。また、集積回路１１０には、増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する不揮発性メモリ１１１を備えている。集積回路１１０とその外部との接続箇所には入出力端子が設けられ、積分用演算アンプ１０５と圧電素子１０１の接続箇所は信号入力端子１１５、積分用演算アンプ１０５の出力と放電抵抗１０３、充電容量１０４との接続箇所はフィードバック端子１１２、増幅用演算アンプ１０９の出力と外部との接続箇所は信号出力端子１１３、さらに不揮発性メモリ１１１に外部から情報を書き込むための書込み端子１１４を備えている。
　本実施例の特徴は、集積回路１１０内に増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する不揮発性メモリ１１１を備え、不揮発性メモリ１１１に書込み端子１１４より情報を入力し、その情報により増幅抵抗ａ１０７の値が制御され、検知信号の増幅率を可変することができることである。増幅抵抗ａ１０７は、その値が可変できるようラダー抵抗により構成されている。不揮発性メモリ１１１を集積回路１１０に内蔵することによって、回路ブロックの実装面積をコンパクトに保つことが可能である。
　本実施例では、不揮発性メモリ１１１によって値が制御される抵抗は増幅抵抗ａ１０７であるが、増幅抵抗ｂ１０８の値を制御する構成としても良いし、増幅抵抗ａ１０７と増幅抵抗ｂ１０８の両方を制御する構成としても良い。
　不揮発性メモリ１１１に格納する情報は、不揮発性メモリ１１１と接続された書込み端子１１４からシリアルデータを入力して書込む。シリアルデータの書込みフォーマットは、既に広く普及しているものが多種類あり、その中から適宜選択して採用すればよい。フォーマットの種類に応じて書込み端子１１４の本数も変わってくるが、一般に端子数が多い書込みフォーマットほど高速書込みが可能である。
　不揮発性メモリ１１１によって抵抗値を変化させる構成例を図２に示す。書込み端子１１４から書込まれた情報は、アドレス・データ制御回路２０２によりデコードされ、目的のメモリセル２０３に書込まれる。そしてメモリセル２０３の出力レベルにより、半導体スイッチ２０４が開閉されて、増幅抵抗ａ１０７が所望の抵抗値に変化する。
　不揮発性メモリ１１１としては、ＥＥＰＲＯＭやフラッシュＲＯＭ等の書き換え可能なメモリと、ＯＴＰＲＯＭやヒューズＲＯＭ等の１回書込みのメモリがあるが、どちらのタイプも本発明に使用可能である。
　１回書込みのメモリを使用する場合は、書き換え可能な揮発性メモリと不揮発性メモリを組み合わせた構成とすることで、増幅率の正確な調整が可能になる。すなわち、増幅率調整工程では、揮発性メモリに情報を書込みながら、出力電圧をモニタして調整を行い、適正な増幅率が決まった時点で、その値を不揮発性メモリに書込む方法である。
　揮発性メモリは、不揮発性メモリと比較して、データ書込み速度が格段に速いので、上記揮発性メモリと不揮発性メモリを組み合わせる構成は、書き換え可能な不揮発性メモリを使用する場合でも有用である。
　図７は本発明の圧電センサと外部との接続端子部を示す図であり、図６に示す燃焼圧センサのリアハウジング６０９側の端部に接続端子部を設けた例である。図７（ａ）に示すように、センサの接続端子部はユーザー端子７０３（一般的に供給電源、供給ＧＮＤ、出力信号の３本である場合が多い。）が設けられた外部接続用コネクタ７０２を備えている。この外部接続用コネクタ７０２に、書込み端子１１４も併せて設けることで、センサ完成状態での増幅率データの書込みが可能になる。
　すなわち製造時の増幅率調整工程においては、ユーザー端子７０３と書込み端子１１４のすべてに導通が取られた、雌側コネクタを外部接続用コネクタ７０２と結合し、センサに圧力を加えた時の出力信号をユーザー端子７０３からモニタしながら、書込み端子１１４にデータを書込んで、増幅率の調整を行う。
　書込み端子１１４が使用されるのは、製造の増幅率調整工程のみであるが、図７（ａ）のコネクタの場合、ユーザーが使用する雌側ソケットにも書込み端子１１４に対応した非導通の結合穴が必要である。このためユーザー雌側ソケットの端子数が増え、コストが上昇してしまうという問題がある。
　上記問題を解決するのが、図７（ｂ）に示すコネクタの構造である。書込み端子１１４はユーザー端子７０３の終端より深い位置に設けられており、ユーザーは、ユーザー端子７０３のみに結合する３端子の雌コネクタを、そのまま使用することが可能である。製造の増幅率調整工程で使用される雌コネクタは、書込み端子１１４に導通結合可能な、ユーザー端子結合用より長い結合穴が設けられており、書込み端子１１４と電気的に導通させて、増幅率調整を行うことができる。
　なお上記では、センサ側が雄コネクタの場合について説明したが、センサ側が雌コネクタの場合も、全く同様に適用できる。また図７（ａ）および図７（ｂ）では書込み端子は１本のみであるが、これが複数本であっても、同様に適用が可能である。
　端子数の問題を解決する別の方法として、書込み端子とユーザー端子を兼用して、専用の書込み端子を不要にする構成が挙げられる。この方法に対応した集積回路の構成例を図８に示す。図８は、本実施例の増幅回路後段の別の例を示した図であり、増幅回路の前段については図１で示した圧電センサと同様の構成であるので省略している。増幅用演算アンプ１０９、増幅抵抗ａ１０７および増幅抵抗ｂ１０８で構成される増幅回路の後段には、増幅用演算アンプ１０９の出力、不揮発性メモリ１１１と切り替え可能に接続され、兼用端子８１３と接続された電子スイッチ８１８が設けられている。また、集積回路１１０には、電源端子８１５を介して外部より常時電源電圧Ｖｄｄが供給され、この常時電源電圧Ｖｄｄと接続される電源モニタ回路８１６とを備えている。電源モニタ回路８１６は、常時電源電圧Ｖｄｄをモニタしており、電源電圧Ｖｄｄが規定値未満の場合は、電子スイッチ８１８を、増幅用演算アンプ１０９の出力と兼用端子８１３とを接続する方向に切り替え、逆に電源電圧Ｖｄｄが規定値以上の場合は、電子スイッチ８１８を、不揮発性メモリ１１１の書込み端子と兼用端子８１３とを接続する方向に切り替える。
　上記規定電圧を、ユーザーが使用する電源電圧範囲より高めに、（例えばユーザー電源電圧が４．５Ｖから５．５Ｖの場合、規定電圧を６．０Ｖに、）設定しておくことにより、ユーザーは兼用端子８１３を、常に出力端子として使用することができる。そして製造の増幅率調整工程においては、まず電源電圧Ｖｄｄを規定値以上に上げて、不揮発性メモリ１１１に情報を書込み、次に電源電圧Ｖｄｄを規定値未満のユーザー電源電圧に下げて、出力信号Ｖｏｕｔの値をモニタするという手順で、増幅率の調整を行うことができる。
　なお上記では、書込み端子が１本の場合について述べているが、電源端子自身を兼用端子とすることで、書込み端子２本の場合でも同様に適用が可能である。
　次に、本発明の圧電センサの別の実施例を説明する。図９は本発明の圧電センサの別の実施例を示す図である。以下、図１に示した実施例１と共通な部分については説明を省略し、本実施例の特徴的な構成について説明する。また、図１に示す実施例１と共通な構成については同一の符号を用い説明する。
　本実施例では、集積回路１１０内に増幅抵抗ａ１０７と基準電圧源９０６に接続され、増幅回路の増幅率を決定する情報、および基準電圧源９０６のオフセット電圧を決定する情報を記憶する不揮発性メモリ９１１を備え、不揮発性メモリ９１１に書込まれた情報により、増幅抵抗ａ１０７の値または基準電圧源９０６のオフセット電圧の少なくとも一方が制御されて、検知信号の増幅率を可変することができる。
　基準電圧源９０６から出力される基準電圧ＶＲは、出力信号Ｖｏｕｔの直流オフセット電圧を規定する。通常この基準電圧ＶＲは一定であるが、図９に示すように、不揮発性メモリ９１１の内容によって、基準電圧ＶＲの値を可変にできるようにすることで、より付加価値の高い燃焼圧センサを提供することができる。
　基準電圧ＶＲを可変にする目的の一つは、ユーザーによって、または機種によって必要とする直流オフセット電圧が異なる場合である。オフセット電圧値があらかじめわかっている場合、その値に合わせた集積回路を用意したり、可変抵抗で基準電圧値を調整したりすることも可能であるが、集積回路１１０に内蔵された不揮発性メモリ９１１によって、オフセット電圧値を合わせ込むことができれば、異なった機種に対しても、同一の集積回路を使用することが可能になり、また手作業での可変抵抗調整といった手間もかからない。
　基準電圧ＶＲを可変にするもう一つの目的は、基準電圧の微調整である。一般に基準電圧源は、半導体の製造ばらつきの影響を受けにくいバンドギャップレギュレータで構成されることが多いが、それでも集積回路のロット間やロット内で、数ミリボルトから数十ミリボルトの電圧バラつきが発生する。
　ユーザー側でこのようなオフセット電圧ばらつきが許容できない場合は、基準電圧を微調整してばらつきを抑制する必要がある。圧力信号を入力しない場合、出力信号Ｖｏｕｔは、直流オフセット電圧が出力されるので、出力信号Ｖｏｕｔをモニタしながら、不揮発性メモリ９１１にデータを書込むことで、基準電圧の微調整を行うことができる。
　基準電圧を可変する回路構成例を図１０に示す。基準電圧源９０６は、バンドギャップレギュレータ１００１と演算アンプ１００２、２つの可変抵抗１００３、１００４から構成されている。バンドギャップレギュレータ１００１の出力は、演算アンプ１００２の正側入力端子と可変抵抗１００３を介してＧＮＤ電位と接続され、演算アンプ１００２の負側入力端子と出力端子との間には可変抵抗１００４が接続されている。可変抵抗１００３、１００４は不揮発性メモリ９１１と接続されている。
　バンドギャップレギュレータ１００１から出力された電圧ＶＢは、演算アンプ１００２と２つの可変抵抗１００３および１００４によって、基準電圧ＶＲに変換される。不揮発性メモリ９１１からの信号により、可変抵抗１００３および１００４の抵抗値を制御することで、基準電圧ＶＲの値を調節することが可能になる。
　上記した直流オフセット電圧を変える２つの目的、機種ごとの変更、および微調整では、調整の精度および調整幅が大きく異なる。このため両方の調整ができるようにするためには、可変抵抗を２組用意して、粗調と微調が別々に制御できるようにした方が良い。
　圧電センサとしての自動車用エンジン燃焼圧センサには、出力電圧クリップ機能が求められる場合がある。これはあらかじめ定められた上限および下限電圧を越える電圧に対して、電圧クリップ制御を働かせ、センサからは必ず電圧下限から上限の範囲内の電圧が出力されるようにする機能であり、センサの故障診断に使われる。もしクリップ電圧範囲外の電圧が、センサ出力を受けるエンジン側ＥＣＵでモニタされた場合は、センサの故障や、ケーブル断線等の異常事態の発生が想定される。
　図１１はクリップ機能を持った燃焼圧センサを説明するための図であり、（ａ）はクリップ機能を持った燃焼圧センサの出力電圧の例を示したグラフであり、（ｂ）は電圧クリップ回路の例を示す図である。図１１（ａ）において、実線が出力電圧を示しており、波形がクリップ上限電圧を越えた場合は、電圧が上限電圧にクリップされて出力されることを示している。
　図１１（ｂ）は、バイポーラトランジスタを使った電圧クリップ回路の一例を示す回路図で、増幅回路出力に対し図中上段が上限クリップ回路であり、下段が下限クリップ回路を示す。
　上限クリップ回路は、電源電圧Ｖｄｄ（不図示）とＧＮＤ間に直列接続された抵抗１１０５、１１０６の接続点にｎｐｎトランジスタのゲートが接続され、ｎｐｎトランジスタのコレクタは電源電圧Ｖｄｄに、エミッタは抵抗を介してＧＮＤと接続されている。ｎｐｎトランジスタのエミッタは、ｐｎｐトランジスタのベースに接続されている。そして、ｐｎｐトランジスタのコレクタはＧＮＤへ、エミッタは増幅回路出力線へ接続されている。抵抗１１０５、１１０６の分圧電圧にｎｐｎトランジスタのベース・エミッタ間電圧を引き、ｐｎｐトランジスタのベース・エミッタ間電圧を加えたものが最大規定電圧とした構成である。
　また下側クリップ回路は、電源電圧Ｖｄｄ（不図示）とＧＮＤ間に直列接続された抵抗１１０７、１１０８の接続点にｐｎｐトランジスタのゲートが接続され、ｐｎｐトランジスタのコレクタはＧＮＤへ、エミッタは抵抗を介して電源電圧Ｖｄｄと接続されている。ｐｎｐトランジスタのエミッタは、ｎｐｎトランジスタのベースに接続されている。そして、ｎｐｎトランジスタのコレクタは電源電圧Ｖｄｄへ、エミッタは増幅回路出力線へ接続されている。抵抗１１０７、１１０８の分圧電圧がほぼ最小規定電圧と等しくなる構成となっている。
　通常クリップ電圧は一定であるが、実施例２で述べたオフセット電圧と同様、不揮発性メモリの内容によって、可変にできるようにすることで、より付加価値の高い燃焼圧センサを提供することができる。図１２に構成例を示す。
　クリップ電圧を可変にする目的は、実施例２で述べたオフセット電圧と同様、機種による設定の違いをカバーすることと、微調整への対応である。図１１（ｂ）に示したクリップ回路の場合、抵抗１１０５、１００６、１１０７、１１０８の値を変えることで、クリップ電圧を変化させることができる。図１２は本発明の圧電センサの別の実施例を示す図である。以下、図１、図９に示した実施例１、実施例２と共通な部分については説明を省略し、本実施例の特徴的な構成について説明する。また、図１に示す実施例１と共通な構成については同一の符号を用い説明する。本実施例では、集積回路１１０内であり、増幅回路の後段にクリップ回路１２１５と、不揮発性メモリ１２１１が設けられている。不揮発性メモリ１２１１は、増幅抵抗ａ１０７、基準電圧源９０６およびクリップ回路１２１５と接続され、増幅回路の増幅率を決定する情報、基準電圧源９０６のオフセット電圧を決定する情報、およびクリップ回路１２１５のクリップ電圧を決定する情報を記憶し、不揮発性メモリ１２１１に書込まれた情報により、増幅抵抗ａ１０７の値、基準電圧源９０６のオフセット電圧またはクリップ回路１２１５のクリップ電圧の少なくとも一つが制御されて、検知信号の増幅率を可変することができる。クリップ回路１２１５のクリップ電圧を制御するには、クリップ回路１２１５を図１１（ｂ）に示す電圧クリップ回路における抵抗１１０５、１１０６、１１０７、１１０８のいずれかを可変抵抗とし、不揮発性メモリ１２１１に記憶された情報によってクリップ回路１２１５内の抵抗値を変化させればよい。
　以上、本発明について３つの実施例に基づき説明してきたが、本発明の圧電センサはこの実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において上述した実施例に種々の変更を加えたものも含む。
１０１、３０１、５０１…圧電素子、１０２、３０２…直流遮断容量、１０３、３０３、５０３…放電抵抗、１０４、３０４、５０４…充電容量、１０５、３０５、５０５…積分用演算アンプ、１０６、３０６、５０６、９０６…基準電圧源、１０７、３０７、５０７…増幅抵抗ａ、１０８、３０８、５０８…増幅抵抗ｂ、１０９、３０９、５０９…増幅用演算アンプ、１１０、３１０…集積回路、１１１、９１１、１２１１…不揮発性メモリ、１１２、３１２…フィードバック端子、１１３、３１３…信号出力端子、１１４…書込み端子、１１５、３１５…信号入力端子、２０２…アドレス・データ制御回路、２０３…メモリセル、２０４…半導体スイッチ、６０１…ダイヤフラムヘッド、６０２…固定ネジ、６０３…フロントハウジング、６０４…圧電素子、６０５…導線、６０６…回路基板、６０７…回路ケース、６０９…リアハウジング、７０２…外部接続用コネクタ、７０３…ユーザー端子、８１３…兼用端子、８１５…電源端子、８１６…電源モニタ回路、８１８…電子スイッチ、１００１…バンドギャップレギュレータ、１００２…演算アンプ、１００３、１００４…可変抵抗、１１０５、１１０６、１１０７、１１０８…抵抗、１２１５…クリップ回路

Claims (6)

  1. 　圧力を検知するための圧電素子と、
    　前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
    　前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
    　前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
    　前記増幅回路の増幅率を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
    　前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子と
    を備え、
    　前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリが、単一の集積回路に収められていること
    を特徴とする圧電センサ。
  2. 　前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とする請求項１記載の圧電センサ。
  3. 　圧力を検知するための圧電素子と、
    　前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
    　前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
    　前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
    　前記基準電圧源の前記オフセット電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
    　前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子と
    を備え、
    　前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源および前記メモリが、単一の集積回路に収められていることを特徴とする圧電センサ。
  4. 　前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とする請求項３記載の圧電センサ。
  5. 　圧力を検知するための圧電素子と、
    　前記圧電素子から出力された電流信号を積分して電圧信号に変換する積分回路と、
    　前記積分回路の出力を増幅し、外部に出力する増幅回路と、
    　前記増幅回路から出力された出力信号のオフセット電圧を規定する基準電圧源と、
    　前記増幅回路の出力を規定範囲に制限するためのクリップ回路と、
    　前記クリップ回路のクリップ電圧を設定する情報を記憶する書込み可能なメモリと、
    　前記情報を前記メモリに書き込むための書込み端子と
    を備え、
    　前記積分回路、前記増幅回路、前記基準電圧源、前記クリップ回路および前記メモリが、単一の集積回路に収められていることを特徴とする圧電センサ。
  6. 　前記書込み端子が、前記単一の集積回路と外部とを接続する外部接続用コネクタに設けられていることを特徴とする請求項５記載の圧電センサ。
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