(57)【要約】  少なくとも、所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として検出信号Ｑｉを積分することにより電圧波形に変換する積分回路を有するとともに、当該積分回路の入力端子と出力端子間に接続し、当該積分回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ１における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ１の大きさを調整する基底電圧調整回路４０を有してなる処理回路３０を備える。他の形態として、積分回路からの出力信号Ｖｏｕｔ２１…を増幅する少なくとも一つ以上の増幅回路を有するとともに、当該増幅回路に付与する基準電圧Ｖｒの供給部と少なくとも一つの増幅回路の入力端子間に接続し、当該増幅回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ２２…における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ２２…の大きさを調整する基底電圧調整回路４０…を有してなる処理回路３０を採用することもできる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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、少なくとも、所定の大きさを設定した基準電圧を動作基準として前記検出信号を積分することにより電圧波形に変換する積分回路を有するとともに、当該積分回路の入力端子と出力端子間に接続し、当該積分回路から出力する出力信号における、前記検出信号が無信号のときの電位である基底電圧の大きさを調整する基底電圧調整回路を有してな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。
【請求項２】
前記基底電圧調整回路は、ｐｎｐトランジスタ及びｎｐｎトランジスタを用いたトランジスタ対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。
【請求項３】
前記トランジスタ対は、コンプリメンタリ・トランジスタを用いることを特徴とする請求項２記載の圧力検出装置。
【請求項４】
前記基底電圧調整回路は、前記基底電圧と前記基準電圧が等しくなるように前記基底電圧の大きさを調整可能に構成することを特徴とする請求項１，２又は３記載の圧力検出装置。
【請求項５】
前記積分回路は、単電源で動作する演算増幅回路を用いて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。
【請求項６】
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、所定の大きさを設定した基準電圧を動作基準として前記検出信号を積分することにより電圧波形に変換する積分回路と、所定の大きさに設定した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する少なくとも一つ以上の増幅回路とを有するとともに、当該増幅回路に付与する基準電圧の供給部と少なくとも一つの増幅回路の入力端子間に接続し、当該増幅回路から出力する出力信号における、前記検出信号が無信号のときの電位である基底電圧の大きさを調整する基底電圧調整回路を有してな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。
【請求項７】
前記基底電圧調整回路は、ｐｎｐトランジスタ及びｎｐｎトランジスタを用いたトランジスタ対により構成することを特徴とする請求項６記載の圧力検出装置。
【請求項８】
前記トランジスタ対は、コンプリメンタリ・トランジスタを用いることを特徴とする請求項７記載の圧力検出装置。
【請求項９】
前記基底電圧調整回路は、前記増幅回路の出力信号における前記基底電圧と当該増幅回路に付与する前記基準電圧が等しくなるように当該基底電圧の大きさを調整可能に構成することを特徴とする請求項６，７又は８記載の圧力検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
一般に、エンジンに装着し、センサとして圧電素子等を使用することにより燃焼室内の燃焼圧を検出する圧力検出装置は知られている。この圧力検出装置は、センサが圧力を微分した信号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圧力変化に相似した電圧に変換する処理回路を備えている。【０００３】
従来、このような圧力検出装置に備える処理回路としては、特許文献１に開示される圧電式センサの信号処理装置が知られている。図１１は、特許文献１に開示されるエンジンの燃焼圧を検出する圧力検出装置における積分回路の概略図を示したものである。図１１に示す積分回路１００において、燃焼圧センサ１０１の一方の端子は、コンデンサ１０２及び抵抗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、燃焼圧センサ１０１の他方の端子は、回路のＧＮＤに接続される。一方、オペアンプ１０４の非反転入力端子は、基準電源１０５に接続されることにより基準電圧Ｖｒが付与される。また、オペアンプ１０４における反転入力端子と出力端子間には、チャージコンデンサ１０６と高抵抗値の放電抵抗１０７の並列回路が接続される。【０００４】
図１２は、積分回路１００の動作を説明する波形図であり、横軸が時間ｔ、図１２（ａ）の縦軸が燃焼圧センサ１０１からの電荷信号Ｑｉ、図１２（ｂ）の縦軸が積分回路１００の出力信号Ｖｏｕｔを示している。燃焼圧センサ１０１は、圧力を検出することにより、図１２（ａ）に示すような微分波形となる電荷信号Ｑｉを所定の周期Ｔ０１により発生する。そして、この電荷信号Ｑｉは積分回路１００に付与される。積分回路１００は、基準電源１０５からの基準電圧Ｖｒを基準として動作し、電荷信号Ｑｉは積分されることにより電圧に変換される。これにより、オペアンプ１０４の出力端子には、図１２（ｂ）に示す圧力変化に相似した電圧波形となる出力信号Ｖｏｕｔが得られる。この出力信号Ｖｏｕｔは、電荷信号Ｑｉがマイナス側に振れたときに上昇カーブとなり、電荷信号Ｑｉがプラス側に振れたときに下降カーブとなる。このように、積分回路１００は、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Ｖｏｕｔの電圧波形は、燃焼圧センサ１０１が検出した圧力変化に相似した波形となり、燃焼圧の検出が可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−６２２１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した特許文献１に開示される信号処理装置（処理回路）は、次のような問題点があった。【０００７】
即ち、信号処理装置を、自動車用エンジンの燃焼圧を検出する圧力検出装置として使用する場合、次のような問題を生じる虞れがある。通常、自動車は、安全性及び信頼性の確保を目的として、この種の圧力検出装置には、故障を把握するための故障診断手段を備えている。例えば、圧力検出装置の出力信号の出力電圧範囲が、０．５Ｖ〜４．５Ｖの領域にある場合は正常状態と判定し、出力信号が０．５Ｖ以下又は４．５Ｖ以上の場合は故障状態と判定する。そして、故障状態と判定されたときは、対応する必要な処理が実施される。したがって、このような故障診断手段の信頼性を高めるには、圧力検出装置の出力信号が、正常時に正常領域となる０．５Ｖ〜４．５Ｖの範囲において安定に動作を継続することが極めて重要になる。【０００８】
しかし、上述した特許文献１における信号処理装置は、積分回路１００の出力信号Ｖｏｕｔにおける基底電圧Ｖｂの電位が積分回路１００の動作基準である基準電圧Ｖｒの電位に対してズレを生じ、出力信号Ｖｏｕｔの大きさや繰り返し周期により変動する不具合があった。この場合、基底電圧Ｖｂとは、電荷信号Ｑｉが無信号のときの出力信号Ｖｏｕｔの電圧レベルである（図１２（ｂ）参照）。この基底電圧Ｖｂと基準電圧Ｖｒ間にズレを生じる理由は、積分回路１００のチャージコンデンサ１０６と放電抵抗１０７による充放電により、出力信号Ｖｏｕｔが１つの周期Ｔ０１内において基準電圧Ｖｒを中心に、電圧×時間の面積が±０となるように補正されるためであり、結果として、出力信号Ｖｏｕｔの基底電圧Ｖｂが基準電圧Ｖｒの電位に対してズレてしまう、所謂沈み込み現象が生じることに起因する。【０００９】
以下、この出力信号Ｖｏｕｔにおける沈み込み現象について、図１３及び図１４を参照して具体的に説明する。なお、例示の場合、基準電圧Ｖｒは１．０Ｖ、出力信号Ｖｏｕｔの正常領域は０．５Ｖ〜４．５Ｖの範囲、故障診断領域は０．５Ｖ以下又は４．５Ｖ以上である。【００１０】
図１３（ａ）は、周期Ｔ０１で発生する電荷信号Ｑｉの大きさが比較的小さい場合の出力信号Ｖｏｕｔ０１を示している。この場合、出力信号Ｖｏｕｔ０１の波高値は小さくなるため、基底電圧Ｖｂ０１の沈み込み現象も小さくなる。即ち、基準電圧Ｖｒを中心にしてチャージコンデンサ１０６と放電抵抗１０７による充放電が行われるが、出力信号Ｖｏｕｔ０１の波高値が比較的小さいため、基準電圧Ｖｒを超える出力信号Ｖｏｕｔ０１の面積Ｓｕ１も小さくなり、それに伴い、基準電圧Ｖｒ以下となる基底電圧Ｖｂ０１の面積Ｓｄ１も小さくなる。【００１１】
一方、図１３（ｂ）は、周期Ｔ０１で発生する電荷信号Ｑｉの大きさが比較的大きい場合の出力信号Ｖｏｕｔ０２を示している。この場合、出力信号Ｖｏｕｔ０２の波高値は大きくなるため、基底電圧Ｖｂ０２の沈み込み現象も大きくなる。即ち、出力信号Ｖｏｕｔ０２の波高値が比較的大きくなるため、基準電圧Ｖｒを超える出力信号Ｖｏｕｔ０２の面積Ｓｕ２も大きくなり、それに伴い、基準電圧Ｖｒ以下となる基底電圧Ｖｂ０２の面積Ｓｄ２も大きくなる。この結果、基底電圧Ｖｂ０２が、０．５Ｖ以下に設定した故障診断領域に入り、故障状態と判定されてしまう。【００１２】
以上は、電荷信号Ｑｉの大きさによる影響について説明したが、電荷信号Ｑｉの繰り返し周期の変動による影響も存在する。図１４（ａ）は、電荷信号Ｑｉの繰り返し周期Ｔ０３が比較的長い場合の出力信号Ｖｏｕｔ０３を示している。この場合、繰り返し周期Ｔ０３が比較的長いため、基底電圧Ｖｂ０３の沈み込み現象は小さくなる。即ち、１周期における出力信号Ｖｏｕｔ０３が基準電圧Ｖｒを超えている時間の割合Ｔｕ３が比較的小さくなり、それに伴い、基準電圧Ｖｒ以下となる基底電圧Ｖｂ０３の時間の割合Ｔｄ３が増えるため、平均化されることにより基底電圧Ｖｂ０３の沈み込み量は小さくなる。【００１３】
一方、図１４（ｂ）は、電荷信号Ｑｉの繰り返し周期Ｔ４が比較的短い場合の出力信号Ｖｏｕｔ０４を示している。この場合、出力信号Ｖｏｕｔ０４の繰り返し周期Ｔ０４が比較的短いため、基底電圧Ｖｂ０４の沈み込み現象は大きくなる。即ち、１周期において出力信号Ｖｏｕｔ０４が基準電圧Ｖｒを超えている時間の割合Ｔｕ４が比較的大きくなり、それに伴い、基準電圧Ｖｒ以下となる基底電圧Ｖｂ０４の時間の割合Ｔｄ４が減るため、基底電圧Ｖｂ０４の沈み込み量が大きくなる。この結果、基底電圧Ｖｂ０４が、０．５Ｖ以下に設定した故障診断領域に入り、故障状態と判定されてしまう。【００１４】
このように、特許文献１に開示されるような信号処理装置では、燃焼圧センサからの電荷信号Ｑｉの大きさや繰り返し周期の変動に応じて、出力信号Ｖｏｕｔの基底電圧Ｖｂの電位が変動する。したがって、使用条件によっては、基底電圧Ｖｂが故障診断領域に入り、圧力検出装置の故障と誤判定される虞れがあるため、信頼性を確保する観点からは無視できない問題となる。しかも、基底電圧Ｖｂの電位が変動した場合、出力信号Ｖｏｕｔの大きさ（ピーク電圧値）も変動し、正確な圧力検出を行うことができない問題も付随する。【００１５】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る圧力検出装置１０…は、上記課題を解決するため、圧力Ｐを受けることにより圧力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とを備えてなる圧力検出装置を構成するに際して、少なくとも、所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として検出信号Ｑｉを積分することにより電圧波形に変換する積分回路を有するとともに、当該積分回路の入力端子と出力端子間に接続し、当該積分回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ１における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ１の大きさを調整する基底電圧調整回路４０を有してなる処理回路３０を備えることを特徴とする。【００１７】
また、本発明に係る他の形態に係る圧力検出装置１０…は、上記課題を解決するため、圧力Ｐを受けることにより圧力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とを備えてなる圧力検出装置を構成するに際して、所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として検出信号Ｑｉを積分することにより電圧波形に変換する積分回路と、所定の大きさに設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として積分回路からの出力信号Ｖｏｕｔ２１，Ｖｏｕｔ３１を増幅する少なくとも一つ以上の増幅回路とを有するとともに、当該増幅回路に付与する基準電圧Ｖｒの供給部と少なくとも一つの増幅回路の入力端子間に接続し、当該増幅回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ２２，Ｖｏｕｔ３３における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ２２，Ｖｂ３３の大きさを調整する基底電圧調整回路４０，４０を有してなる処理回路５０，７０を備えることを特徴とする。【００１８】
一方、本発明は、発明の好適な態様により、基底電圧調整回路４０は、ｐｎｐトランジスタ４１及びｎｐｎトランジスタ４２を用いたトランジスタ対により構成することができる。この際、トランジスタ対には、コンプリメンタリ・トランジスタを用いることが望ましい。また、基底電圧調整回路４０は、基底電圧Ｖｂ１…と基準電圧Ｖｒ…が等しくなるように基底電圧Ｖｂ１…の大きさを調整可能に構成することができる。さらに、積分回路は、単電源で動作する演算増幅回路３１…を用いて構成することができる。
【発明の効果】
【００１９】
このような構成を有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。【００２０】
（１）  少なくとも、所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として検出信号Ｑｉを積分することにより電圧波形に変換する積分回路を有するとともに、当該積分回路の入力端子と出力端子間に接続し、当該積分回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ１における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ１の大きさを調整する基底電圧調整回路４０を有してなる処理回路３０を備えるため、圧力検出素子２１から得る検出信号Ｑｉの大きさや繰り返し周期が変動した場合であっても、出力信号Ｖｏｕｔ１における基底電圧Ｖｂ１を常に一定に維持できる。これにより、出力信号Ｖｏｕｔ１が故障診断領域に入り、誤判定される不具合を解消できるとともに、高精度で安定した圧力検出を行うことができ、信頼性に優れた圧力検出装置１０…を提供できる。【００２１】
（２）  好適な態様により、基底電圧調整回路４０を構成するに際し、ｐｎｐトランジスタ４１及びｎｐｎトランジスタ４２を用いたトランジスタ対により構成すれば、ｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２がそれぞれの温度特性を打ち消す動作を行うため、温度変化が発生した場合であっても、基底電圧調整回路４０によりｐｎｐトランジスタ４１のエミッタとｎｐｎトランジスタ４２のベースの結合点を中心に電位のバランスが保たれ、温度変化による基底電圧Ｖｂ１の変動を抑制できる。【００２２】
（３）  好適な態様により、トランジスタ対を構成するに際し、コンプリメンタリ・トランジスタを用いれば、各コンプリメンタリ・トランジスタの特性を揃えることにより、望ましいトランジスタ対を容易に構成できる。【００２３】
（４）  好適な態様により、基底電圧調整回路４０を、基底電圧Ｖｂ１…と基準電圧Ｖｒ…が等しくなるように基底電圧Ｖｂ１…の大きさを調整可能に構成すれば、基底電圧Ｖｂ１…と基準電圧Ｖｒを常に等しい電位に維持できるため、基底電圧Ｖｂ１…が沈み込み現象現象により基準電圧Ｖｒ以下になる不具合を確実に回避可能となる。【００２４】
（５）  好適な態様により、積分回路を、単電源で動作する演算増幅回路３１…を用いて構成すれば、一つの演算増幅回路（オペアンプ）により構成した積分回路のみで実施できるため、部品点数の削減、更には小型化及び軽量化を図れるとともに、故障リスクを低減できる。しかも、出力信号Ｖｏｕｔ１の電位を安定化できるため、高精度かつ安定性の高い圧力検出を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の好適実施形態である第１実施形態〜第３実施形態に係る圧力検出装置を装着したエンジンを示す概略構成図、
【図２】同圧力検出装置の全体構成を示す側面図及び検出部の断面拡大図、
【図３】本発明の第１実施形態に係る圧力検出装置の処理回路の概略回路図、
【図４】同圧力検出装置の動作を説明する信号波形図、
【図５】本発明の第２実施形態に係る圧力検出装置の処理回路の概略回路図、
【図６】同圧力検出装置の動作を説明する信号波形図、
【図７】本発明の第３実施形態に係る圧力検出装置の処理回路の概略回路図、
【図８】同圧力検出装置の動作を説明する信号波形図、
【図９】本発明の好適実施形態である第４実施形態に係る圧力検出装置を装着したエンジンを示す概略構成図、
【図１０】同圧力検出装置の検出部の構造を示す断面図、
【図１１】背景技術の圧力検出装置における積分回路の概要図、
【図１２】同圧力検出装置における積分回路の動作を説明する信号波形図、
【図１３】背景技術の圧力検出装置の課題を説明するための信号波形図、
【図１４】背景技術の圧力検出装置の課題を説明するための他の信号波形図、
【符号の説明】
【００２６】
１０：圧力検出装置，２１：圧力検出素子（圧電素子），３０：処理回路，３１…：演算増幅回路，４０：基底電圧調整回路，４１：ｐｎｐトランジスタ，４２：ｎｐｎトランジスタ，５０：処理回路，７０：処理回路，Ｐ：圧力，Ｑｉ：検出信号（電荷信号），Ｖｒ：基準電圧，Ｖｏｕｔ１：出力信号，Ｖｏｕｔ２１：出力信号，Ｖｏｕｔ３１：出力信号，Ｖｏｕｔ２２：出力信号，Ｖｏｕｔ３３：出力信号，Ｖｂ１：基底電圧，Ｖｂ２２：基底電圧，Ｖｂ３３：基底電圧
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
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。【００２８】
なお、実施形態として異なる四つの実施形態を例示する。第１実施形態は、独立した圧力検出装置をエンジンに装着するとともに、圧力検出装置の処理回路を、積分回路と基底電圧調整回路により構成する形態を示す。第２実施形態は、第１実施形態と同様に、エンジン装着形態となるが、圧力検出装置の処理回路を、積分回路と一つの増幅回路と基底電圧調整回路により構成する形態を示す。第３実施形態は、第１実施形態と同様に、エンジン装着形態となるが、圧力検出装置の処理回路を、積分回路と二つの増幅回路と基底電圧調整回路により構成する形態を示す。第４実施形態は、圧力検出装置の検出部を、燃料噴射装置に組み込むことによりエンジンに装着する形態を示す。【００２９】
まず、第１実施形態〜第３実施形態に係る圧力検出装置を装着可能なエンジンの一例について、図１を参照して説明する。【００３０】
図１において、符号１は、本実施形態に係る圧力検出装置を装着する自動車用のエンジンを示す。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、このシリンダ２ａ内を往復動するピストン３と、このシリンダブロック２に結合してシリンダ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とを備える。シリンダヘッド４には、連通孔４ａを形成し、燃焼室Ｃ内の混合気を爆発させるための点火を行う点火プラグ５を装着するとともに、シリンダヘッド４の他の位置には、連通孔４ｂを形成し、本実施形態に係る圧力検出装置１０を装着する。その他、シリンダヘッド４には、燃焼室Ｃ内に燃料を噴射する燃料噴射装置を装着するが、その図示は省略した。【００３１】
圧力検出装置１０は円柱状に構成し、先端には検出部２０を備える。この検出部２０は連通孔４ｂに挿入し、先端を燃焼室Ｃの内部に臨ませる。これにより、検出部２０は燃焼室Ｃ内の内圧（燃焼圧：矢印Ｐ）を受け、内圧に対応した検出信号を出力する。また、圧力検出装置１０には、処理回路３０が組み込まれており、検出部２０から付与される検出信号に対して処理を施し、出力信号Ｖｏｕｔとして、図示を省略した外部のエンジン制御部に出力する。【００３２】
次に、第１実施形態〜第３実施形態の圧力検出装置１０の機械的な概略構成について、図２を参照して説明する。【００３３】
図２において、圧力検出装置１０は、先端が細い円柱状を成し、先端（図面上の上部）に燃焼圧を検出する検出部２０を備える。また、圧力検出装置１０の下端付近（図面上の下部）には、処理回路３０を配置し、この処理回路３０と検出部２０間は破線で示す導電部１１により接続し、検出部２０からの検出信号を処理回路３０に伝達する。導電部１１には、例えば、金属棒やケーブルを利用できる。なお、処理回路３０は圧力検出装置１０に内蔵するが、図面上は、複数の電子部品が実装されていることを明示するため、透視図により示している。さらに、処理回路３０にはコネクタ部３９が隣接し、このコネクタ部３９には処理回路３０からの図１に示す出力信号Ｖｏｕｔを外部に出力するための図に現れない電極端子を配設する。【００３４】
図２に示す円内は検出部２０を軸直角方向で切断した断面拡大図である。検出部２０の最先端部にはダイヤフラム２２を備え、このダイヤフラム２２に台座２３が密着するとともに、この台座２３には圧力検出素子を構成する圧電素子２１が密着する。これにより、図１に示す燃焼室Ｃ内において燃焼圧Ｐが発生すれば、燃焼圧Ｐを受けたダイヤフラム２２の変位が台座２３を介して圧電素子２１に圧縮力として伝えられ、この圧縮力を受けた圧電素子２１が電荷信号Ｑｉを出力する。この電荷信号Ｑｉは、電極２４に接続された導電部１１を通り、検出信号として処理回路３０に付与される。このように、第１実施形態〜第３実施形態における圧力検出装置１０は、検出部２０と処理回路３０が一体構成となり、かつ独立した圧力検出装置１０としてエンジン１に装着できるため、エンジン１への装着が容易となり、メンテナンス性にも優れる特徴を有している。
【第１実施形態】
【００３５】
次に、第１実施形態に係る圧力検出装置１０について、図３及び図４を参照して具体的に説明する。
【００３６】
図３に示す圧力検出装置１０は、検出部２０と処理回路３０を備える。検出部２０は、図１に示したエンジン１の燃焼圧Ｐを検出する圧電素子（圧力検出素子）２１を備える。圧電素子２１は、図２に示したように検出部２０の内部に配し、電荷信号（検出信号）Ｑｉを出力する。また、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に接続するとともに、他方の端子は導電部１１を介して処理回路３０のＧＮＤに接続する。これにより、電荷信号Ｑｉは、導電部１１を通り処理回路３０に付与される。
【００３７】
処理回路３０は、単電源（例示は、Ｖｄｄ＝５Ｖ）により動作する一つのオペアンプ３１により構成する積分回路を備える。そして、圧電素子２１からの電荷信号Ｑｉは、コンデンサ３２を介してオペアンプ３１の反転入力端子に付与されるとともに、オペアンプ３１の非反転入力端子には、基準電源３３で生成される所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒが付与される。例示の基準電圧Ｖｒは、ＤＣ１．０Ｖである。また、オペアンプ３１の反転入力端子とオペアンプ３１の出力端子間は、チャージコンデンサ３４と高抵抗値を有する放電抵抗３５の並列回路により接続する。そして、オペアンプ３１の出力端子からは、出力信号Ｖｏｕｔ１が出力する。
【００３８】
このように、積分回路を、単電源で動作する演算増幅回路３１…を用いて構成すれば、一つの演算増幅回路（オペアンプ）により構成した積分回路のみで実施できるため、部品点数の削減、更には小型化及び軽量化を図れるとともに、故障リスクを低減できる。しかも、出力信号Ｖｏｕｔ１の電位を安定化できるため、高精度かつ安定性の高い圧力検出を実現できる。
【００３９】
この場合、チャージコンデンサ３４は、圧電素子２１に所定の燃焼圧Ｐが加えられたときに、出力信号Ｖｏｕｔ１が適切な大きさとなるように容量値が決められている。また、放電抵抗３５は、入力リーク電流の積算により、後述する基底電圧に変化を発生させない目的で設けている。放電抵抗３５とチャージコンデンサ３４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。
【００４０】
一方、オペアンプ３１における反転入力端子と出力端子間には、本発明の特徴部分を構成する基底電圧調整回路４０を接続する。この基底電圧調整回路４０は、ｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２によるトランジスタ対により構成する。この場合、トランジスタ対には、特性の揃ったコンプリメンタリ・トランジスタを用いる。これにより、望ましいトランジスタ対を容易に構成できる。例示の基底電圧調整回路４０は、ｐｎｐトランジスタ４１におけるベースとコレクタを接続するとともに、さらに、オペアンプ３１の反転入力端子に接続する。また、ｐｎｐトランジスタ４１のエミッタは、ｎｐｎトランジスタ４２のベースに接続する。他方、ｎｐｎトランジスタ４２のコレクタは電源Ｖｄｄに接続するとともに、ｎｐｎトランジスタ４２のエミッタは、オペアンプ３１の出力端子に接続する。さらに、ｎｐｎトランジスタ４２におけるコレクタとベース間は、バイアス抵抗４３により接続する。
【００４１】
したがって、処理回路３０は、基準電圧Ｖｒを動作基準としたオペアンプ３１により積分回路が構成され、圧電素子２１から付与される電荷信号Ｑｉを積分して電圧変換し、出力信号Ｖｏｕｔ１として出力する機能を備える。
【００４２】
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４に示す波形図及び図３を参照して説明する。
【００４３】
図４（ａ）は、時間ｔに対する圧電素子２１が受ける燃焼圧Ｐの関係を示している。なお、例示の燃焼圧Ｐは周期Ｔ１により繰り返し発生している。圧力検出装置１０を図１に示したエンジン１に装着した場合、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ほど、周期Ｔ１は短くなり、エンジン１の回転数が低下するほど、周期Ｔ１は長くなる。したがって、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、回転数の増減に伴い、周期Ｔ１は刻々と変化する。
【００４４】
図４（ｂ）は、時間ｔに対する燃焼圧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の関係を示している。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、出力する電荷信号Ｑｉは微分波形となる。なお、電荷信号Ｑｉは、燃焼圧Ｐが上昇した場合にマイナス側に振れ、燃焼圧Ｐが降下した場合にプラス側に振れる例を示すが、この極性は圧電素子２１の接続を換えることにより反転可能である。この電荷信号Ｑｉがコンデンサ３２を通過し、処理回路３０におけるオペアンプ３１の反転入力端子に付与される。
【００４５】
図４（ｃ）は、時間ｔに対する処理回路３０のオペアンプ３１の出力端子から得られる出力信号Ｖｏｕｔ１の関係を示している。この場合、処理回路３０は、図１１に示した従来の積分回路１００と同様に、基準電源３３からの基準電圧Ｖｒを基準として動作し、入力した電荷信号Ｑｉを積分して電圧変換し、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。
【００４６】
即ち、電荷信号Ｑｉがマイナス側に振れれば、オペアンプ３１の出力端子の電位は上昇するため、チャージコンデンサ３４に図３に示す充電電流Ｉ１が流れる。これにより、出力信号Ｖｏｕｔ１は、図４（ｃ）に示するように、上昇カーブとなる。一方、電荷信号Ｑｉがプラス側に振れれば、オペアンプ３１の出力端子の電位は下がるため、チャージコンデンサ３４には図３に示す放電電流Ｉ２が流れる。これにより、出力信号Ｖｏｕｔ１は、下降カーブとなる。このように、処理回路３０は積分回路として動作し、微分波形である電荷信号Ｑｉを積分して出力するため、出力信号Ｖｏｕｔ１は、圧電素子２１が受ける燃焼圧Ｐの圧力変化に相似した波形電圧となる。
【００４７】
一方、処理回路３０に含まれる基底電圧調整回路４０の動作は次のようになる。なお、ｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２のトランジスタ対は、特性の揃ったコンプリメンタリ・トランジスタを前提とする。
【００４８】
今、電荷信号Ｑｉが無信号状態（図４（ｃ）のｔ１時点参照）であれば、オペアンプ３１は反転入力端子と非反転入力端子が同電位となるように、出力端子からの出力信号Ｖｏｕｔ１の電位が動くため、反転入力端子の電位は、非反転入力端子に入力している基準電圧Ｖｒと同電位になるとともに、出力信号Ｖｏｕｔ１も基準電圧Ｖｒと同電位になる。即ち、基準電圧Ｖｒ＝１．０Ｖであれば、非反転入力端子の電位＝反転入力端子の電位＝出力信号Ｖｏｕｔ１の電位＝１．０Ｖとなり、オペアンプ３１は電位のバランスがとれた状態になる。
【００４９】
この際、基底電圧調整回路４０では、電源Ｖｄｄに接続したバイアス抵抗４３からのバイアス電流Ｉｂがｐｎｐトランジスタ４１のエミッタに流入し、その一部はベース電流として流れるため、ｐｎｐトランジスタ４１はＯＮ状態になる。これにより、ｐｎｐトランジスタ４１のエミッタとｎｐｎトランジスタ４２のベースの結合点Ａの電位は、（オペアンプ３１の反転入力端子の電位：基準電圧Ｖｒ）＋（ｐｎｐトランジスタ４１の順方向電圧）となる。
【００５０】
このとき、コンプリメンタリであるｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２の順方向電圧ＶＢＥのいずれも０．６Ｖと仮定すると、接合点Ａの電位は、基準電圧Ｖｒ＝１．０Ｖであるため、（基準電圧Ｖｒ：１．０Ｖ）＋（ｐｎｐトランジスタ４１の順方向電圧：０．６Ｖ）＝１．６Ｖとなる。また、ｎｐｎトランジスタ４２の順方向電圧も０．６Ｖであるため、そのエミッタの電位、即ち、オペアンプ３１の出力端子の出力信号Ｖｏｕｔ１の電位は、（結合点Ａの電位：１．６Ｖ）−（ｎｐｎトランジスタ４２の順方向電圧：０．６Ｖ）＝１．０Ｖ（基準電圧Ｖｒと同じ）となる。この結果、基底電圧調整回路４０では、結合点Ａを中心にして、ｐｎｐトランジスタ４１のベースとエミッタの電位，及びｎｐｎトランジスタ４２のエミッタの電位（１．０Ｖ）は等しくなり、電位はバランスする。
【００５１】
このように、電荷信号Ｑｉが無信号状態の場合には、オペアンプ３１の動作と基底電圧調整回路４０の動作がバランスするため、オペアンプ３１の出力である出力信号Ｖｏｕｔ１の電位は、基準電圧Ｖｒと等しい１．０Ｖが維持される。
【００５２】
他方、この状態からオペアンプ３１の出力信号Ｖｏｕｔ１の電位が、基準電圧Ｖｒより降下した場合を想定する。この場合、基底電圧調整回路４０のｎｐｎトランジスタ４２のベース・エミッタ間電圧が順方向電圧より大きくなるため、バイアス抵抗４３からのバイアス電流Ｉｂがｎｐｎトランジスタ４２のベースに流れ、ｎｐｎトランジスタ４２はＯＮする。これにより、電源Ｖｄｄからｎｐｎトランジスタ４２を通り、図３に示すエミッタ電流Ｉ３が流れるため、オペアンプ３１の出力端子から出力する出力信号Ｖｏｕｔ１の電位は、基準電圧Ｖｒに等しくなるまで上昇する。
【００５３】
そして、出力信号Ｖｏｕｔ１の電位が、基準電圧Ｖｒを僅かでも超えた場合には、トランジスタ４２のベース・エミッタ間電圧が順方向電圧以下になるため、トランジスタ４２はＯＦＦ状態に戻る。この結果、出力信号Ｖｏｕｔ１の電位は、（結合点Ａの電位）−（ｎｐｎトランジスタ４２の順方向電圧）となり、１．０Ｖ（基準電圧Ｖｒ）が維持される。
【００５４】
実際の電荷信号Ｑｉは、燃焼圧Ｐにより、図４（ｂ）に示すように、所定の周期Ｔ１による微分波形となるため、オペアンプ３１による積分回路は、電荷信号Ｑｉが入力するとともに、図４（ｃ）に示すように、圧力変化に相似した波形である出力信号Ｖｏｕｔ１を出力する。この場合、周期的に発生する電荷信号Ｑｉの合間における無信号時（ｔ１時点参照）では、出力信号Ｖｏｕｔ１の基底電圧Ｖｂ１が、前述した沈み込み現象により基準電圧Ｖｒ以下になるが、基底電圧調整回路４０の動作（機能）により、エミッタ電流Ｉ３が流れることにより出力信号Ｖｏｕｔ１の電位が上昇する。この結果、基底電圧Ｖｂ１は、基準電圧Ｖｒからズレることなく、基準電圧Ｖｒに等しい電位に維持される。即ち、基底電圧調整回路４０は、基底電圧Ｖｂ１…と基準電圧Ｖｒ…が等しくなるように基底電圧Ｖｂ１…の大きさを調整するため、基底電圧Ｖｂ１…と基準電圧Ｖｒを常に等しい電位が維持され、基底電圧Ｖｂ１…が沈み込み現象により基準電圧Ｖｒ以下になる不具合が確実に回避される。
【００５５】
この基底電圧調整回路４０は、出力信号Ｖｏｕｔ１の基底電圧Ｖｂ１が基準電圧Ｖｒ以下になったときのみ動作する。即ち、基底電圧調整回路４０の動作により、出力信号Ｖｏｕｔ１の基底電圧Ｖｂ１が基準電圧Ｖｒの電位に達すれば、ｎｐｎトランジスタ４２は直ちにＯＦＦになるため、出力信号Ｖｏｕｔ１の積分波形に対する基底電圧調整回路４０の影響はない。
【００５６】
前述したように、図１３及び図１４により示した背景技術における積分回路１００の出力信号Ｖｏｕｔは、電荷信号Ｑｉの大きさや繰り返し周期の違いにより、基底電圧Ｖｂが基準電圧Ｖｒよりも低下し、かつその電位が大きく変動するが、第１実施形態における処理回路３０では、出力信号Ｖｏｕｔ１が、基底電圧調整回路４０の動作（機能）により、基準電圧Ｖｒに対して基底電圧Ｖｂ１がズレる問題は生じない。これにより、電荷信号Ｑｉの大きさや繰り返し周期が変化した場合であっても基準電圧Ｖｒに等しい電位が維持され、処理回路３０の出力信号Ｖｏｕｔ１が故障診断領域に入る不具合は解消される。
【００５７】
しかも、ｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２における順方向電圧は、それぞれ固有の温度特性を有しているが、ｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２がそれぞれの温度特性を打ち消す動作を行うため、温度変化が発生した場合であっても、基底電圧調整回路４０によりｐｎｐトランジスタ４１のエミッタとｎｐｎトランジスタ４２のベースの結合点Ａを中心に電位のバランスが保たれ、温度変化による基底電圧Ｖｂ１の変動を抑制できる。
【００５８】
以上のように、第１実施形態における処理回路３０は、少なくとも、所定の大きさを設定した基準電圧Ｖｒを動作基準として検出信号Ｑｉを積分することにより電圧波形に変換する積分回路を有するとともに、当該積分回路の入力端子と出力端子間に接続し、当該積分回路から出力する出力信号Ｖｏｕｔ１における、検出信号Ｑｉが無信号のときの電位である基底電圧Ｖｂ１の大きさを調整する基底電圧調整回路４０を有するため、出力信号Ｖｏｕｔ１の基底電圧Ｖｂ１が常に基準電圧Ｖｒに等しくなるように動作する。この結果、圧力検出素子２１から得る検出信号Ｑｉの大きさや繰り返し周期が変動した場合であっても、出力信号Ｖｏｕｔ１における基底電圧Ｖｂ１を常に一定に維持できる。これにより、出力信号Ｖｏｕｔ１が故障診断領域に入り、誤判定される不具合を解消できるとともに、高精度で安定した圧力検出を行うことができ、信頼性に優れた圧力検出装置１０を提供できる。
【第２実施形態】
【００５９】
次に、第２実施形態に係る圧力検出装置１０について、図５及び図６を参照して具体的に説明する。
【００６０】
図５は、圧力検出装置１０における処理回路５０のみを抽出して示す。なお、燃焼圧Ｐを検出する検出部２０の構成は第１実施形態と同じである。図５に示す第２実施形態の処理回路５０は、単電源（例えば、Ｖｄｄ＝５Ｖ）で動作するオペアンプ５１とオペアンプ５２の二つのオペアンプを備える。この場合、オペアンプ５１は積分回路を構成するとともに、オペアンプ５２は増幅回路を構成する。これにより、図３に示した圧電素子２１から得る電荷信号Ｑｉは、コンデンサ５３を介して積分回路を構成するオペアンプ５１の反転入力端子に付与される。一方、基準電源５４からの基準電圧Ｖｒは、オペアンプ５１の非反転入力端子に付与される。例示する基準電圧Ｖｒは、ＤＣ１．０Ｖである。
【００６１】
オペアンプ５１における反転入力端子と出力端子間は、チャージコンデンサ５５と高抵抗値の放電抵抗５６の並列回路により接続する。以上により、基準電圧Ｖｒを基準としたオペアンプ５１による積分回路が構成され、オペアンプ５１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Ｖｏｕｔ２１が出力する。さらに、増幅回路を構成するオペアンプ５２の非反転入力端子には、コンデンサ５７を介してオペアンプ５１からの出力信号Ｖｏｕｔ２１が付与されるとともに、非反転入力端子には、抵抗５８を介して基準電圧Ｖｒが付与される。また、オペアンプ５２の反転入力端子は、抵抗５９を介して基準電圧Ｖｒに接続するとともに、抵抗６０を介して出力端子に接続する。これにより、オペアンプ５２は基準電圧Ｖｒを基準とした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Ｖｏｕｔ２２が出力する。なお、増幅率は抵抗５９と抵抗６０の抵抗値の比により決定される。
【００６２】
一方、オペアンプ５２の非反転入力端子と基準電圧Ｖｒの間には、本発明の特徴部分を構成する基底電圧調整回路４０を接続する。この基底電圧調整回路４０は、第１実施形態の基底電圧調整回路４０の回路構成と同じになる。このため、同一部分には同一符号を付し、内部の回路構成の説明は省略する。基底電圧調整回路４０は、第１実施形態と同様にｐｎｐトランジスタ４１とｎｐｎトランジスタ４２とによるトランジスタ対により構成する。したがって、このトランジスタ対は、特性の揃ったコンプリメンタリ・トランジスタを用いる。また、基底電圧調整回路４０のｎｐｎトランジスタ４２のエミッタは、オペアンプ５２の非反転入力端子に接続するとともに、ｐｎｐトランジスタ４１におけるベースとコレクタは、基準電圧Ｖｒに接続する。
【００６３】
したがって、処理回路５０は、オペアンプ５１により積分回路が構成され、圧電素子２１から付与された電荷信号Ｑｉを積分して電圧変換し、出力信号Ｖｏｕｔ２１として出力する。また、オペアンプ５２により増幅回路が構成され、この増幅回路からは所定の増幅率により増幅された出力信号Ｖｏｕｔ２２が出力する機能を備える。
【００６４】
次に、第２実施形態に係る圧力検出装置１０の動作について、図６に示す波形図及び図５を参照して説明する。
【００６５】
図６（ａ）は、時間ｔに対する燃焼圧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の関係を示している。この電荷信号Ｑｉはコンデンサ５３を通して処理回路５０のオペアンプ５１の反転入力端子に付与される。図６（ｂ）は、処理回路５０におけるオペアンプ５１の出力端子から得られる出力信号Ｖｏｕｔ２１の電圧波形の一例を示している。この場合、オペアンプ５１は、図３に示した第１実施形態のオペアンプ３１と同様に、基準電圧Ｖｒを基準として動作し、電荷信号Ｑｉを積分して電圧変換し、出力端子から圧力変化に相似した出力信号Ｖｏｕｔ２１を出力する。
【００６６】
この出力信号Ｖｏｕｔ２１は、前述した第１実施形態と同様に、オペアンプ５１のチャージコンデンサ５５と放電抵抗５６による充放電により、１つの周期内において基準電圧Ｖｒを中心に電圧×時間の面積が±０となるように補正されるため、基底電圧Ｖｂ２１が基準電圧Ｖｒからズレる沈み込み現象を生じる。図６（ｃ）は、処理回路５０のオペアンプ５２の出力端子から出力する出力信号Ｖｏｕｔ２２の電圧波形の一例を示している。オペアンプ５２は前述したように非反転増幅回路として動作するため、出力信号Ｖｏｕｔ２２の大きさ（波高値）は、出力信号Ｖｏｕｔ２１を所定の増幅率により増幅した大きさとなる。また、出力信号Ｖｏｕｔ２２の基底電圧Ｖｂ２２は、基底電圧調整回路４０の動作（機能）により基準電圧Ｖｒと等しくなり安定している。
【００６７】
基底電圧調整回路４０の動作は次のようになる。今、電荷信号Ｑｉが無信号状態（図６（ｃ）のｔ２時点参照）であれば、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位は、抵抗５８により基準電圧Ｖｒに対して同電位になるとともに、オペアンプ５２の反転入力端子の電位も、抵抗５９により基準電圧Ｖｒに対して同電位になる。これにより、オペアンプ５２の出力端子からの出力信号Ｖｏｕｔ２２も基準電圧Ｖｒと同電位になる。即ち、基準電圧Ｖｒ＝１．０Ｖであれば、非反転入力端子の電位＝反転入力端子の電位＝出力信号Ｖｏｕｔ２２の電位＝１．０Ｖとなり、オペアンプ５２はバランスした状態になる。
【００６８】
この際、基底電圧調整回路４０では、ｐｎｐトランジスタ４１のエミッタとｎｐｎトランジスタ４２のベースの結合点Ａにおける電位は、第１実施形態と同様に、ｐｎｐトランジスタ４１がＯＮ状態にあるため、（基準電圧Ｖｒ）＋（ｐｎｐトランジスタ４１の順方向電圧）となる。即ち、結合点Ａの電位＝１．０Ｖ＋０．６Ｖ＝１．６Ｖとなり、第１実施形態と同じになる。また、ｎｐｎトランジスタ４２の順方向電圧は、ｐｎｐトランジスタ４１の順方向電圧に等しいため、ｎｐｎトランジスタ４２のエミッタを接続するオペアンプ５２の非反転入力端子の電位は、（結合点Ａの電位：１．６Ｖ）−（ｎｐｎトランジスタ５２の順方向電圧：０．６Ｖ）＝１．０Ｖ（基準電圧Ｖｒと同じ）になり、基底電圧調整回路４０は結合点Ａを中心に電位がバランスする。この結果、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位は、基準電圧Ｖｒに対して同電位に維持される。このように、電荷信号Ｑｉが無信号状態では、オペアンプ５２の出力である出力信号Ｖｏｕｔ２２の電位は、オペアンプ５２の動作と基底電圧調整回路４０の動作がバランスし合うため、基準電圧Ｖｒに等しい１．０Ｖに維持される。
【００６９】
他方、この状態から、図６（ａ）に示すように、電荷信号Ｑｉが所定の周期Ｔ２により到来した場合を想定する。オペアンプ５１による積分回路は、前述したように、圧力変化に相似した波形である出力信号Ｖｏｕｔ２１を出力する。この場合、周期的に発生する電荷信号Ｑｉの合間における無信号時（ｔ２時点参照）に、出力信号Ｖｏｕｔ２１の基底電圧Ｖｂ２１は沈み込み現象により基準電圧Ｖｒ以下になる。
【００７０】
この出力信号Ｖｏｕｔ２１は、コンデンサ５７を通過することにより、直流分がカットされるが、出力信号Ｖｏｕｔ２１のパルス状の波形が周期的に到来することにより、コンデンサ５７は充放電を繰り返す。この結果、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位は基底電圧Ｖｂ２１のタイミングにより基準電圧Ｖｒよりも低くなる。これにより、基底電圧調整回路４０のｎｐｎトランジスタ４２におけるベース・エミッタ間電圧が順方向電圧より大きくなるため、ｎｐｎトランジスタ４２にベース電流が流れることによりｎｐｎトランジスタ４２がＯＮする。この理由は、結合点Ａの電位（１．６Ｖ）に対して、ｎｐｎトランジスタ４２のエミッタの電位が１．０Ｖ以下になることによる。
【００７１】
この結果、電源Ｖｄｄからｎｐｎトランジスタ４２を通って電流が流れ、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位は基準電圧Ｖｒに等しくなるまで上昇する。そして、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位が基準電圧Ｖｒを僅かにでも超えれば、トランジスタ４２のベース・エミッタ間電圧は順方向電圧以下になるため、トランジスタ４２はＯＦＦ状態に戻る。これにより、オペアンプ５２の非反転入力端子の電位は、基底電圧Ｖｂ２１のタイミング、即ち、図６のｔ２時点で基準電圧Ｖｒに等しい１．０Ｖが維持される。また、オペアンプ５２は、基準電圧Ｖｒを動作基準としているため、非反転入力端子の電位が基準電圧Ｖｒに等しい場合には、出力信号Ｖｏｕｔ２２の基底電圧Ｖｂ２２も、図６（ｃ）で示すように基準電圧Ｖｒに等しくなる。さらに、電荷信号Ｑｉの大きさや周期が変化し、オペアンプ５１の出力信号Ｖｏｕｔ２１の基底電圧Ｖｂ２１が基準電圧Ｖｒより沈み込み現象（図６（ｂ）参照）、かつ大きく変動した場合でも、基底電圧調整回路４０の動作（機能）により、オペアンプ５２の出力である出力信号Ｖｏｕｔ２２の基底電圧Ｖｂ２２は、基準電圧Ｖｒからズレることなく、基準電圧Ｖｒに等しい電位を維持することができる（図６（ｃ）参照）。
【００７２】
以上のように、第２実施形態における処理回路５０は、二つのオペアンプ５１，５２により、積分回路と増幅回路をそれぞれ構成するとともに、後段の増幅回路の入力側に基底電圧調整回路４０を配置したため、出力信号Ｖｏｕｔ２２の基底電圧Ｖｂ２２は常に基準電圧Ｖｒに等しくなる。この結果、図６（ｃ）に示すように、出力信号Ｖｏｕｔ２２は故障診断領域に入ることが回避され、信頼性に優れた圧力検出装置を得ることができる。また、積分回路の後段に、増幅回路を追加したことにより、出力信号Ｖｏｕｔ２２の出力レベルを大きくできるため、圧力検出の分解能とＳ／Ｎ比を向上させることができ、高精度で外来ノイズに強い圧力検出装置を実現できる。
【第３実施形態】
【００７３】
次に、第３実施形態に係る圧力検出装置１０について、図７及び図８を参照して具体的に説明する。
【００７４】
図７は、圧力検出装置１０における処理回路７０のみを抽出して示す。なお、燃焼圧Ｐを検出する検出部２０の構成は第１実施形態と同じである。図７に示す処理回路７０は、単電源（例示は、Ｖｄｄ＝５Ｖ）で動作する三つのオペアンプ７１〜７３を備える。この場合、初段のオペアンプ７１により積分回路を構成し、次段のオペアンプ７２により増幅回路を構成し、次段のオペアンプ７３により最終段の増幅回路を構成する。最終段におけるオペアンプ７３による増幅回路はインピーダンス変換を行うボルテージフォロアとして機能する。
【００７５】
オペアンプ７１による積分回路とオペアンプ７２による増幅回路は、前述した第２実施形態の処理回路５０と基本構成が同じになる。したがって、これらの説明は省略し、最終段のオペアンプ７３によるボルテージフォロア回路とその周辺回路，及びオペアンプ７３の入力端子に配置される基底電圧調整回路４０について説明する。なお、基底電圧調整回路４０も第１実施形態の基底電圧調整回路４０と同じになるため、同一部分には同一符号を付し、内部の回路構成の説明は省略する。
【００７６】
各信号において、Ｖｏｕｔ３１は、初段の積分回路を構成するオペアンプ７１の出力信号、Ｖｏｕｔ３２は、次段の増幅回路を構成するオペアンプ７２の出力信号、Ｖｏｕｔ３３は、最終段のボルテージフォロアを構成するオペアンプ７３の出力信号をそれぞれ示す。また、８２は、オペアンプ７２の出力端子とオペアンプ７３の非反転入力端子間に接続し、オペアンプ７２からの出力信号Ｖｏｕｔ３２の直流分をカットするコンデンサである。さらに、オペアンプ７３における非反転入力端子は、抵抗８３を介して基準電圧Ｖｒに接続するとともに、反転入力端子は出力端子に直接接続する。これにより、オペアンプ７３は基準電圧Ｖｒを基準にして動作するボルテージフォロア回路として機能する。
【００７７】
一方、オペアンプ７３の非反転入力端子と基準電圧Ｖｒ間には、本発明の特徴部分を構成する基底電圧調整回路４０を接続する。この場合、基底電圧調整回路４０におけるｎｐｎトランジスタ４２のエミッタは、オペアンプ７３の非反転入力端子に接続するとともに、ｐｎｐトランジスタ４１のベースとコレクタは、基準電圧Ｖｒに接続する。
【００７８】
したがって、処理回路７０は、検出部２０から付与される電荷信号Ｑｉが初段のオペアンプ７１による積分回路により積分され、出力信号Ｖｏｕｔ３１として出力する。また、出力信号Ｖｏｕｔ３１は、次段のオペアンプ７２による増幅回路で所定の増幅率により増幅され、出力信号Ｖｏｕｔ３２として出力する。さらに、最終段のオペアンプ７３によるボルテージフォロア回路によりインピーダンス変換が行われ、低出力インピーダンスの出力信号Ｖｏｕｔ３３として出力する一連の機能を備える。
【００７９】
次に、第３実施形態に係る圧力検出装置１０の動作について、図８に示す波形図及び図７を参照して説明する。
【００８０】
なお、オペアンプ７１による積分回路と、オペアンプ７２による増幅回路の動作は、前述した第２実施形態と同じになるため、その詳細な説明は省略し、オペアンプ７３によるボルテージフォロア回路と基底電圧調整回路４０の動作を中心に説明する。
【００８１】
図８（ａ）は、時間ｔに対する処理回路７０の次段のオペアンプ７２から出力する出力信号Ｖｏｕｔ３２の電圧波形を一例として示している。オペアンプ７２は、第２実施形態のオペアンプ５２（図５参照）と同様に非反転増幅回路として動作し、入力する出力信号Ｖｏｕｔ３１を所定の増幅率により増幅する。これにより、大きな波高値を有する出力信号Ｖｏｕｔ３２がオペアンプ７２から出力する。そして、オペアンプ７２の非反転入力端子に接続されているコンデンサ７８の充放電動作により、出力信号Ｖｏｕｔ３２は１つの周期内において基準電圧Ｖｒを中心に、電圧×時間の面積が±０となるように補正されるため、基底電圧Ｖｂ３２が基準電圧Ｖｒからズレる沈み込み現象を生じる。
【００８２】
図８（ｂ）は、処理回路７０の最終段のオペアンプ７３から出力される出力信号Ｖｏｕｔ３３の電圧波形の一例を示している。オペアンプ７３はボルテージフォロア回路として動作するため、出力信号Ｖｏｕｔ３３の大きさは、出力信号Ｖｏｕｔ３２に略等しい大きさになる。また、出力信号Ｖｏｕｔ３３の基底電圧Ｖｂ３３は、基底電圧調整回路４０の動作（機能）により基準電圧Ｖｒに等しくなり安定している。
【００８３】
次に、第３実施形態における基底電圧調整回路４０の動作について、図７及び図８を参照して説明する。
【００８４】
まず、オペアンプ７３に入力する出力信号Ｖｏｕｔ３２が無信号状態である場合について説明する。この場合、図７の基底電圧調整回路４０は、前述した第２実施形態と同様に動作するため、結合点Ａの電位は１．６Ｖとなる。また、ｎｐｎトランジスタ４２のエミッタを接続するオペアンプ７３の非反転入力端子の電位は１．０Ｖとなり、基準電圧Ｖｒに等しい。したがって、基底電圧調整回路４０は、結合点Ａを中心にバランスし、オペアンプ７３の非反転入力端子の電位は、基準電圧Ｖｒと同電位に維持される。加えて、オペアンプ７３は、反転入力端子と出力端子が直結されたボルテージフォロア回路となるため、出力端子からの出力信号Ｖｏｕｔ３３の電位は、非反転入力端子の電位と等しく、基準電圧Ｖｒと同電位になる。
【００８５】
次に、この状態から電荷信号Ｑｉが所定の周期で到来した場合について説明する。この場合、オペアンプ７１は積分回路として動作し、また、オペアンプ７２は増幅回路として動作するため、周期的に発生する電荷信号Ｑｉの合間の無信号時（例えば、図８のｔ３時点参照）における出力信号Ｖｏｕｔ３２の基底電圧Ｖｂ３２は、沈み込み現象により図８（ａ）に示す基準電圧Ｖｒ以下になる。
【００８６】
この出力信号Ｖｏｕｔ３２は、コンデンサ８２を通過することにより、直流分はカットされるが、出力信号Ｖｏｕｔ３２のパルス状の波形が周期的に到来するため、コンデンサ８２は充放電を繰り返すことになる。これにより、最終段のオペアンプ７３の非反転入力端子の電位は基底電圧Ｖｂ３２のタイミングにおいて基準電圧Ｖｒよりも低くなる。この結果、前述した第２実施形態による動作と同様に、基底電圧調整回路４０のｎｐｎトランジスタ４２のベースとエミッタ間電圧が順方向電圧より大きくなるため、ｎｐｎトランジスタ４２にベース電流が流れ、ｎｐｎトランジスタ４２はＯＮする。また、電源Ｖｄｄからｎｐｎトランジスタ４２を通り、電流が流れるため、オペアンプ７３の非反転入力端子の電位が基準電圧Ｖｒに等しくなるまで上昇する。そして、非反転入力端子の電位が基準電圧Ｖｒを僅かでも超えたならば、トランジスタ４２のベース・エミッタ間電圧は順方向電圧以下になるため、トランジスタ４２はＯＦＦに戻る。
【００８７】
これにより、オペアンプ７３の非反転入力端子の電位は、基底電圧Ｖｂ３２のタイミング、即ち、図８のｔ３時点レベルにおける基準電圧Ｖｒと等しくなる１．０Ｖが維持される。そして、オペアンプ７３は、ボルテージフォロア回路として動作するため、非反転入力端子の電位がｔ３時点レベルにおいて基準電圧Ｖｒに等しければ、出力信号Ｖｏｕｔ３３の基底電圧Ｖｂ３３も、図８（ｂ）で示すように基準電圧Ｖｒに等しくなる。この結果、電荷信号Ｑｉの大きさや周期が変化し、オペアンプ７２の出力信号Ｖｏｕｔ３２の基底電圧Ｖｂ３２が図８（ａ）に示すように基準電圧Ｖｒよりも沈み込み、かつ大きく変動する場合であっても、オペアンプ７３の出力となる出力信号Ｖｏｕｔ３３の基底電圧Ｖｂ３３は、図８（ｂ）に示すように、基準電圧Ｖｒからズレることがなく、基準電圧Ｖｒに等しい電位を維持する
【００８８】
以上のように、第３実施形態における処理回路７０は、三つのオペアンプ７１〜７３により、積分回路と二つの増幅回路を構成するとともに、最終段の増幅回路の入力側に基底電圧調整回路４０を接続するようにしたため、出力信号Ｖｏｕｔ３３の基底電圧Ｖｂ３３が常に基準電圧Ｖｒに等しくなるように動作する。この結果、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を得ることができる。また、第３実施形態における処理回路７０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Ｖｏｕｔ３３の出力インピーダンスをきわめて低い値にすることができ、耐ノイズ特性に優れた高精度の圧力検出装置１０を実現できる。
【第４実施形態】
【００８９】
次に、第４実施形態に係る圧力検出装置９０について、図９及び図１０を参照して説明する。
【００９０】
第４実施形態に係る圧力検出装置９０は、全体構造の形態が異なる。図１０に検出部９１の具体的構造を示す。最初に、圧力検出装置９０を装着するエンジンの一例について図９を参照して説明する。なお、第４実施形態に係る圧力検出装置９０は、先端に備える検出部９１を燃料噴射装置の先端部分に組み込んだものである。
【００９１】
図９に示す符号１′は第４実施形態に係る圧力検出装置９０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、前述した第１実施形態〜第３実施形態の圧力検出装置１０を装着した図１に示したエンジン１と同様の構成となるため、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００９２】
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，４ｃ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４ｃに燃料噴射装置７を装着する。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、本体部７ａから燃焼室Ｃに向かって延びる円柱状の先端部７ｂとを備えている。
【００９３】
そして、第４実施形態の圧力検出装置９０は、図９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９１と、この検出部９１に対して導電部１１を介して接続した処理回路３０とを有している。検出部９１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している。したがって、処理回路３０は、導電部１１により検出部９１からの信号を入力し、内部で信号処理を施した出力信号Ｖｏｕｔを外部のエンジン制御部（図示せず）に出力する。なお、第４実施形態の導電部１１と処理回路３０，及び後述する検出部９１に内蔵する圧電素子２１は、前述した第１実施形態〜第３実施形態と同じになるため、同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。
【００９４】
図１０は、検出部９１の内部に配置される圧電素子付近を検出部９１の径方向（軸方向直角）に切断した断面図を示す。例示する検出部９１は、図１０に示すように、三つで構成される圧力検出素子を構成する圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃを備え、検出部９１の導電性の筐体であるリング状のフロント外側筐体９２とフロント内側筐体９３の隙間に、周方向に沿って略等間隔に配置する。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。
【００９５】
また、圧電素子２１を配するには、各圧電素子２１ａ、２１ｂ、２１ｃの相互間の隙間に絶縁性のスペーサ９４ａ，９４ｂ，９４ｃ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。さらに、スペーサ９４ａと９４ｃには、圧電素子２１からの電荷信号を外部に伝達する接続端子９５ａ、９５ｂを通すためのスペーサ貫通孔９６ａ、９６ｂを設け、接続端子９５ａ、９５ｂを貫通させる。これにより、接続端子９５ａ、９５ｂはスペーサ９４ａと９４ｃによりフロント外側筐体９２とフロント内側筐体９３に対して絶縁される。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。一方、三つの圧電素子２１ａ〜２１ｃの各電極は、図示しないが検出部９１の内部で並列接続され、接続端子９５ａ、９５ｂに電気的に接続される。そして、得られる電荷信号Ｑｉは、導電部１１を介して処理回路３０に付与される（図９参照）。
【００９６】
なお、スペーサ９４ａ〜９４ｃの材質はセラミックス（アルミナ、ジルコニア）などであるが、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９３の外周の全周には、環状の絶縁膜９７が配されており、周方向に配される圧電素子２１の内側の電極（図示せず）とフロント内側筐体９３を絶縁している。このように、圧電素子２１は、検出部９１の内部において周方向に沿って等間隔により複数配されるため、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。その他、エンジン１′の燃焼圧Ｐを圧電素子２１に伝達する構造等は、本発明に直接関わらないため、その説明は省略する。
【００９７】
一方、検出部９１の内部は空洞９８を有しており、この空洞９８には前述した燃料噴射装置７の先端部７ｂを配することにより、燃焼室Ｃに燃料を噴射することができる（図９参照）。なお、第４実施形態では、三つの圧電素子２１ａ〜２１ｃを例示したが、圧電素子２１ａ…の数は限定されない。即ち、更に多くてもよいし少なくてもよい。また、第４実施形態の処理回路３０として、第１実施形態の処理回路３０（図３参照）を用いた場合を例示したが、第２実施形態の処理回路５０（図５参照）を用いてもよいし、或いは第３実施形態の処理回路７０（図７参照）を用いてもよい。なお、第４実施形態の圧電素子２１と前述した第１実施形態〜第３実施形態における各圧電素子２１…は同じである。
【００９８】
このように、第４実施形態の圧力検出装置９０は、検出部９１が燃料噴射装置７の先端部分に組み込まれてエンジンに装着されるため、シリンダヘッド４の連通孔を増設する必要が無く、エンジンの小型化やエンジン構造の簡素化に貢献できる。
【００９９】
以上、最良実施形態（第１実施形態〜第４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、基底電圧調整回路４０は、ｐｎｐトランジスタ４１及びｎｐｎトランジスタ４２を用いたトランジスタ対により構成した場合を例示したが、同一機能を有する他の回路構成により置換する場合を排除するものではない。この際、トランジスタ対には、コンプリメンタリ・トランジスタを用いることが望ましいが、他のタイプによるトランジスタの採用を排除するものではない。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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