(57)【要約】【課題】圧電圧力センサに好適なドリフトキャンセル装置およびこの装置を使用した圧力測定装置を提供すること。。【解決手段】エンジン１０の燃焼圧測定に際して、ドリフトキャンセル装置の第１の実施例においては、エンジン１０が所定の状態（排気行程）となるタイミングでパルスを発生する手段１３を設け、このタイミングパルスによってセンサ１１の信号をサンプリングし、元の信号から減算する。また、第２の実施例においては、各エンジンサイクルにおいて圧力の最小値をホールドする手段を設け、ホールドされた最小値を元の信号から減算する。本発明のドリフトキャンセル装置においては、簡単な構成で、リアルタイムに出力信号からドリフト値を減じることができる。。【選択図】      図１
2004301823.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定対象装置が所定の状態となるタイミングでパルスを発生するタイミングパルス発生手段と、
前記タイミングパルス発生手段の出力パルスに基づいて、圧力センサから出力される信号に基づく圧力と対応した入力信号をサンプリングして保持するサンプルホールド手段と、
前記入力信号から、前記サンプルホールド手段から出力される電圧値を減算する差動増幅手段と
を備えたことを特徴とするドリフトキャンセル装置。
【請求項２】
圧力センサから出力される信号に基づく圧力と対応した入力信号をサンプリングして保持するサンプルホールド手段と、
前記サンプルホールド手段の出力値と前記入力信号とを比較し、前記入力信号の方が低い場合にサンプルホールド手段へサンプリング信号を出力する第１の比較手段と、
前記サンプルホールド手段の出力値より第１の所定値だけ高い値と前記入力信号とを比較し、前記入力信号の方が高い場合に出力が高状態にホールドされ、ホールド中には前記第１の比較手段に入力される前記サンプルホールド手段の出力値を第２の所定値だけ高くすると共に、前記サンプリング信号によってホールド状態が解除される第２の比較手段と、
前記入力信号から、前記サンプルホールド手段から出力される電圧値を減算する差動増幅手段と
を備えたことを特徴とするドリフトキャンセル装置。
【請求項３】
サンプリング信号に基づき、圧力センサから出力される信号に基づく圧力と対応した入力信号をサンプリングして保持するサンプルホールド手段と、
前記入力信号から前記サンプルホールド手段から出力される電圧値を減算する差動増幅手段と
第１の所定電圧と前記入力信号とを比較し、前記入力信号の方が高い場合に出力信号を発生する第２の比較手段と、
前記第２の比較手段の出力信号によりセットされ、サンプリング信号によってリセットするフリップフロップ手段と、
前記フリップフロップ手段の出力に基づき、前記第１の所定電圧より低い第２の所定電圧を出力するスイッチ手段と、
前記スイッチ手段からの出力電圧と前記入力信号とを比較し、前記入力信号の方が低い場合にサンプリング信号を出力する第１の比較手段と、
を備えたことを特徴とするドリフトキャンセル装置。
【請求項４】
圧電素子を使用した電荷発生型圧力センサ手段と、
圧電圧力センサの出力信号を圧力と対応した電圧信号に変換するチャージアンプ手段と、
請求項２あるいは３に記載したドリフトキャンセル装置と
を備えたことを特徴とする圧力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はドリフトキャンセル装置およびこの装置を使用した圧力測定装置に関し、特に、圧電素子を使用した圧電圧力センサに好適なドリフトキャンセル装置およびこの装置を使用した圧力測定装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばガソリンエンジンやディーゼルエンジンの燃焼圧を測定する場合など、温度変化の大きな環境で圧力を測定する場合には単結晶圧電素子を使用した電荷発生型センサを圧力センサとして使用していた。そして、圧電圧力センサの出力はチャージアンプ（電荷検出器）を使用して電圧に変換して出力していた。
【特許文献１】特開平０５−１７２６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが、従来の圧電圧力センサには出力がドリフトするという問題点があった。ドリフトは主に次に挙げるような２つの原因による。第一の原因は、圧電圧力センサの発生した電荷がリークすることによる変動、もしくはセンサの信号ラインに周辺より電荷がリークすることによる変動である。第二の原因は、温度変化によるセンサ素子もしくはセンサの構造体の熱膨張による圧力以外の要因による変動である。これらの要因によるドリフトは無視できない量を有している。従って、例えばエンジンの燃焼圧を測定しても圧力をリアルタイムで正確に測定することができないという問題点があった。
【０００４】
本発明の目的は、前記のような従来技術の問題点を解決し、圧電圧力センサに好適なドリフトキャンセル装置およびこの装置を使用した圧力測定装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
エンジンの燃焼圧測定に際して、本発明においては、エンジンサイクルがドリフトの時間的変化より速く、またエンジン内の最低圧力がほぼ大気圧に等しく、更に、爆発工程以外の圧力の大きくない工程の圧力測定結果はそれほど重要でない点に着目し、目的外の量であるドリフト値を出力信号から減じる点に特徴がある。
【０００６】
本発明のドリフトキャンセル装置の第１の実施例においては、被測定対象装置が所定の状態となるタイミングでパルスを発生するタイミングパルス発生手段を設け、このタイミングパルスによって信号をサンプリングして元の信号から減算することを最も主要な特徴とする。また、本発明のドリフトキャンセル装置の第２、３、４の実施例においては、各エンジンサイクルにおいて圧力の最小値を検出する手段を設け、検出された最小値を元の信号から減算することを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明のドリフトキャンセル装置においては、簡単な構成で、リアルタイムに出力信号からドリフト値を減じることができる。また、チャージアンプのコンデンサの放電手段を設けることにより、測定値の飽和を防止できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【０００９】
図１は、本発明のドリフトキャンセル装置の第１実施例を使用した圧力測定装置の構成を示すブロック図である。エンジンのシリンダ１０には単結晶圧電素子を使用した電荷発生型圧力センサ１１が装着されている。信号処理回路１２は圧力センサ１１から出力される信号を処理し、シリンダ１０内の圧力と比例した電圧の出力信号（Ｖout）を実時間で出力する。
【００１０】
タイミングパルス発生回路１３は、例えばエンジンのクランク軸あるいはカム軸に永久磁石を装着し、その回転位置をコイルやホール効果素子によって検出することによって、エンジンのクランク軸あるいはカム軸が所定の回転位相位置、例えばエンジンの排気工程にきたことを検出し、パルスを発生する。
【００１１】
図２は、本発明のドリフトキャンセル装置（信号処理回路１２）の第１実施例の構成を示す回路図である。公知のチャージアンプ回路Ａ１（電荷電圧変換アンプまたはそれらの信号を扱うアンプ等の電圧を出力するもの）は、センサ１１から出力される電荷量を電圧信号に変換する。
【００１２】
公知のサンプルホールド回路ＳＨは、タイミングパルス入力端子（Ｓ／Ｈ）に入力されるタイミングパルス発生回路１３の出力パルスに基づき、入力端子（ＩＮ）の電圧をコンデンサＣ１に蓄える（更新する）と共に、コンデンサＣ１の電圧を出力端子（ＯＵＴ）から出力する。
【００１３】
オペアンプＡ２および抵抗Ｒ１〜Ｒ４は作動増幅器を構成する。この回路はチャージアンプ回路Ａ１の出力信号からサンプルホールド回路ＳＨの出力信号を減算して出力する。
【００１４】
図４は、本発明のドリフトキャンセル装置の第１実施例の主要部の波形を示す波形図である。なお、図４、図７においては、例えばドリフト値が時間と共に増加する場合を示すが、ドリフト値の変化は誇張して表現されており、実際のドリフト値の変化はもっと少ない。
【００１５】
チャージアンプ回路Ａ１の出力信号の示すエンジンの燃焼圧は爆発工程において数十気圧まで上昇するが、その他の工程においては概ね大気圧（１気圧）程度の圧力である。そして、燃焼圧の測定において必要な波形は爆発工程における波形データであり、気圧の低い部分の波形の形状はそれほど重要ではない。
【００１６】
タイミングパルスは、前述したように、エンジンのクランク軸あるいはカム軸が所定の回転位相位置、例えばエンジンの排気工程にきた時にタイミングパルス発生回路１３によって発生される。サンプルホールド回路ＳＨは、このタイミングパルスに基づきチャージアンプ回路Ａ１の出力信号をサンプリングし、保持、出力する。
【００１７】
この結果、出力信号（Ｖout）は、図示するように、各排気サイクル毎に出力信号が０に修正された信号が出力される。なおドリフト値が減少している場合も同様に、各排気サイクル毎に出力信号が０に修正された信号が出力される。
【実施例２】
【００１８】
図６は、本発明のドリフトキャンセル装置の第２実施例の構成を示す回路図である。また、図７は、本発明のドリフトキャンセル装置の第２実施例の主要部の波形を示す波形図である。この実施例は、各エンジンサイクルにおいて圧力の最小値を保持する手段を設け、保持された最小値を元の信号から減算する方式を採用し、更にチャージアンプＡ１のコンデンサに蓄積されたドリフト電荷の放電手段も備えている。
【００１９】
図６において、サンプルホールド回路ＳＨ、オペアンプＡ２および抵抗Ｒ１〜Ｒ４からなる作動増幅器は、図２の第１実施例と同一の回路である。なお、アンプ等の演算増幅器は±１５Ｖの電源で動作し、論理回路は＋１５Ｖの単電源（高＝１＝+15V、低＝０＝0V）で動作している。
チャージアンプＡ１は、コンデンサＣ２に蓄積された不要なドリフト電荷を放電してリセットするための手段であるリレーＲＬを備えている。駆動については後述する。
【００２０】
バッファアンプＡ３は利得がほぼ１のバッファアンプであり、半固定抵抗器ＶＲおよび着脱可能な抵抗Ｒｓを備えている。半固定抵抗器ＶＲは、コンデンサＣ２の容量補正用に使用される。また、抵抗Ｒｓはセンサ１１と対に用意されたセンサ感度調整用の抵抗であり、これによってセンサ１１の感度が補正される。
【００２１】
第１の比較器ＣＰ１は、第２の比較器ＣＰ２の出力が０（-15V）の時には、バッファアンプＡ３の出力信号とサンプルホールド回路ＳＨの保持電圧とを比較し、バッファアンプＡ３の出力信号の方が電圧が低い場合には、レベル変換を兼ねたＯＲ回路１のダイオードＤ４を介してワンショットマルチバイブレータ回路（以下ＯＭ回路と記す）１を起動し、オアゲート回路ＯＲ２を介してサンプルホールド回路ＳＨに数マイクロ秒のサンプリングパルスを出力する。ＯＭ回路１を設けた理由は、サンプルホールド回路ＳＨに入力するサンプリングパルスに所定幅以上の長さが必要なためである。なお、抵抗Ｒ２９、Ｒ３０はレベル変換用の抵抗である。この動作によって、バッファアンプＡ３の出力信号の最小値がサンプルホールド回路ＳＨに保持される。
【００２２】
なお、サンプルホールド回路ＳＨにサンプリングパルスが印加されている間はサンプルホールド回路ＳＨはスルー状態となり、第１の比較器ＣＰ１の入力端子の双方に入力信号が印加されることになるが、この場合に第１の比較器ＣＰ１の出力が低状態になるように、サンプルホールド回路ＳＨあるいは第１の比較器ＣＰ１のオフセットを調整する。
【００２３】
但し、この動作だけでは、例えばドリフト値が上昇していった場合にはサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新されず、ドリフト値が減算されなくなってしまう。そこで、第２の比較器ＣＰ２を設けて、ドリフト値が上昇していった場合でも各エンジンサイクル毎にサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新されるようにする。
【００２４】
即ち、サンプリングパルスが出力されることによって第２の比較器ＣＰ２のホールド状態が解除された状態の時には、第２の比較器ＣＰ２の＋端子にはバッファアンプＡ３の出力信号が、−端子にはＲ２３の作用によってサンプルホールド回路ＳＨの保持値よりも若干、即ち図７のｘだけ高い電圧が印加されている。ｘの値については、出力波形に影響を与えるものではないので、ノイズ等を考慮して最適値を選定すればよい。
【００２５】
前記した状態において、時刻ｔ0においてバッファアンプＡ３の出力信号の方が高くなると、第２の比較器ＣＰ２の出力が高状態（+15V）となり、ダイオードＤ３および抵抗Ｒ２５によって正帰還がかかっているので高状態がホールドされる。
【００２６】
ホールド状態においては、ダイオードＤ１および抵抗Ｒ２１の作用により、第１の比較器ＣＰ１の＋端子にはサンプルホールド回路ＳＨの保持値よりも若干、即ち図７のｙだけ高い電圧が印加される。ｙの値は、例えば１エンジンサイクル時間において予想されるドリフトの時間的変化量の最大値より大きい値とする。但し、この値が大きいほど出力信号の誤差が大きくなるので、前記条件を満たす範囲で小さな値を採用する。
【００２７】
第２の比較器ＣＰ２の出力が高状態の時に、バッファアンプＡ３の出力信号値が低下してくると、時刻ｔ1において第１の比較器ＣＰ１の出力が高状態となり、ＯＭ１、ＯＲ２を介してサンプリングパルスが出力される。このサンプリングパルスによってサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新されると共に、ダイオードＤ２の作用によって第２の比較器ＣＰ２のホールド状態が解除され、更にＯＭ回路２がリセットされる。
【００２８】
このＯＭ回路２は、所定時間（例えばエンジンサイクルの最長時間よりわずかに長い程度）以上サンプリングパルスが発生しない場合に高信号を出力する回路であり、サンプルホールド回路ＳＨの初期値が低すぎてサンプリングパルスが発生しない状態となった場合に、ダイオードＤ５を介してＯＭ回路１を起動して強制的にサンプリングパルスを発生させる。また、ＯＲ２、ＯＭ回路３、ＮＯＴ回路、ＲＬを介してチャージアンプＡ１のチャージリセット信号を発生させて正常な状態に移行させる機能を有する。なお、正常な状態においては、各エンジンサイクル毎にサンプリングパルスによりリセットがかかるのでＯＭ回路２の高状態は発生しない。
【００２９】
時刻ｔ1においてサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新されると、時刻ｔ2においてバッファアンプＡ３の出力信号値が最小値となるまで、連続あるいは断続してサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新される。この結果、時刻ｔ2以降においてはバッファアンプＡ３の出力信号値の最小値がサンプルホールド回路ＳＨに保持される。以上のような動作の結果、出力波形は図７下段に示すようなものとなる。
【００３０】
次に、チャージアンプＡ１のコンデンサＣ２に蓄積されたドリフト電荷の放電動作について説明する。コンパレータＣＰ３はバッファアンプＡ３の出力信号が上限値を超えた場合に高信号を出力し、コンパレータＣＰ４はバッファアンプＡ３の出力信号が下限値を下回った場合に高信号を出力する。上限値、下限値はそれぞれドリフトがない場合の信号の最高値、最低値より所定の値だけ外側に設定される。
【００３１】
この高信号は、ダイオードＤ６、Ｄ７、Ｒ46からなるレベル変換を兼ねたＯＲ回路３を介してＦＦをセットする。その後、ＯＭ１からサンプリングパルスが発生すると、ＯＲ２、ＡＮＤ、ＯＲ４を介してＯＭ回路３が起動され、リレーＲＬの駆動に必要な長さ、例えば１ミリ秒のパルスを発生する。このパルスはオープンコレクタのＮＯＴ回路を介してリレーＲＬを駆動し、チャージアンプのコンデンサＣ２をショートして蓄積されている電荷を放電させる。リレーＲＬとしては例えば高速で動作するリードリレーを採用可能である。
【００３２】
この動作によってチャージアンプＡ１の出力は０となり、サンプルホールド値も更新されて０となる。また、ＦＦもリセットされる。なお、ＯＭ２からリセットパルスが発生した場合にもＯＲ４を介してＯＭ３が起動され、電荷がリセットされる。
【００３３】
図７において、時刻ｔ3においてバッファアンプＡ３の出力信号が上限値を超えるとＯＲ３を介してＦＦがセットされる。次に、時刻ｔ4においてＣＰ１が高になると、ＯＭ１からサンプリングパルスが発生し、ＡＮＤ回路を介してＯＭ３が起動される。するとリレーＲＬが動作してチャージアンプＡ１の電荷が放電され、Ａ１の出力が０になると共にサンプルホールド値も更新されて０となる。下限値を下回った場合の動作も同様である。以上のような動作によって、ドリフトによってチャージアンプの出力値が飽和することを防止する。
【実施例３】
【００３４】
図３は、本発明のドリフトキャンセル装置の第３実施例の構成を示すブロック図である。この実施例は、チャージアンプＡ１の出力信号をＡ／Ｄ変換器２０によってデジタル信号に変換し、例えばＣＰＵ等からなるデジタル処理回路２１によってドリフトキャンセル処理を実時間で行い、デジタルあるいはアナログの波形信号を出力する。
【００３５】
デジタル信号処理回路２１においては、誤動作防止のためのローパスフィルタ手段からなるノイズ除去手段２２、１つ前の値との差分の極性が負から正に変化したことによって極小値（タイミング）を検出する極小値検出手段２３、極小値が検出されたタイミングでドリフト値（入力信号値）を記憶するサンプルホールド手段、入力信号からドリフト値を減算する加算手段２５をプログラムにより実現する。なお、入力信号値が所定値以上の場合には極小値検出手段２３が動作しないようにしてもよい。また、図６に示したようなチャージアンプＡ１のコンデンサに蓄積されたドリフト電荷の放電手段を備えてもよい。
【実施例４】
【００３６】
図８は、本発明のドリフトキャンセル装置の第４実施例の構成を示す回路図である。また、図９は、本発明のドリフトキャンセル装置の第４実施例の主要部の波形を示す波形図である。第４実施例は、図６に示した第２実施例の一部を改良した変形例であるので、第２実施例と異なる構成について説明する。
【００３７】
第４実施例において第２実施例と異なる点は、比較器ＣＰ１、ＣＰ２に関連する回路である。第２実施例においては、それぞれの比較器ＣＰ１、ＣＰ２において、サンプルホールド回路の出力信号に基づく信号と入力信号とを比較することによってタイミング信号を生成しているが、第４実施例においては、サンプルホールド回路の出力信号を使用せず、所定の電圧とオペアンプＡ２の出力信号とを比較することによってタイミング信号を生成する。
【００３８】
２個のボリュームＶＲ２、ＶＲ３およびバッファアンプＢＵＦ１、ＢＵＦ２により、第１の所定の電圧ＸおよびＸより低い第２の所定の電圧Ｙが発生する。第２の比較器ＣＰ２はオペアンプＡ２の出力電圧とＸとを比較し、Ｘの方が低い場合にＲＳＦＦがセットされる。ＭＯＳＦＥＴを使用したアナログスイッチＳＷはＲＳＦＦの出力Ｑが１になるとオンとなり、電圧Ｙが比較器ＣＰ１に供給される。
【００３９】
比較器ＣＰ１はオペアンプＡ２の出力電圧とＹとを比較し、Ｙの方が高くなると第１の比較器ＣＰ１の出力が高状態となり、ＯＭ１、ＯＲ２を介してサンプリングパルスが出力される。このサンプリングパルスによってサンプルホールド回路ＳＨの保持値が更新されると共に、ＲＳＦＦがリセットされる。この結果、ＳＷがオフとなり、抵抗Ｒ５０により比較器ＣＰ１の＋入力端子の電圧は０となる。
【００４０】
なお、サンプリングパルスが発生している状態ではサンプルホールド回路はスルー状態であり、作動増幅器Ａ２の両方の端子共に入力信号が印加され、出力信号は０となる。従って、比較器ＣＰ１の入力端子は双方とも０となるが、この場合に、第１の比較器ＣＰ１の出力が低状態になるように、サンプルホールド回路ＳＨ、作動増幅器Ａ２あるいは第１の比較器ＣＰ１のオフセットを調整する。この結果、サンプリングパルスが発生している状態ではＣＰ１は低状態となり、ＯＭ１から発生するパルスの立ち下がりでサンプリングパルスがオフとなる。そして、サンプルホールド回路はホールド状態となる。
【００４１】
しかし、入力信号の電圧が更に低下した場合には作動増幅器Ａ２の出力信号が再び負になるので、ＣＰ１が再び高状態となる。この振動状態は入力信号の電圧が低下し続けるかぎり繰り返され、入力電圧が上昇し始めると終了する。従って、サンプルホールド回路には最低電圧がホールドされることになる。
第４実施例においては以上のような回路構成によって、２個のボリュームＶＲ２、ＶＲ３によって、ＸよりＹの方が低いという条件を満たしながら容易に回路の動作調整を行うことができる。
【００４２】
以上、本発明の実施例を開示したが、本発明には下記のような変形例も考えられる。実施例においてはセンサ信号の入力回路としてチャージアンプを使用する例を開示したが、コンデンサを使用したセンサ信号入力回路も考えられる。図５は、センサ信号入力回路の第２実施例の構成を示す回路図である。この回路においては、センサ１１の出力電荷をコンデンサＣ４によって電圧に変換し、高入力インピーダンスのバッファアンプＡ４を介して出力する。
【００４３】
実施例においてはエンジンの燃焼圧の測定装置の例を開示したが、本発明のドリフトキャンセル装置および圧力測定装置は、被測定対象が周期的に既知の圧力状態になるようなものであれば任意の測定対象の圧力測定に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明のドリフトキャンセル装置の第１実施例を使用した圧力測定装置の構成を示すブロック図である。
【図２】本発明のドリフトキャンセル装置の第１実施例の構成を示す回路図である。
【図３】本発明のドリフトキャンセル装置の第３実施例の構成を示すブロック図である。
【図４】本発明のドリフトキャンセル装置の第１実施例の主要部の波形を示す波形図である。
【図５】センサ信号入力回路の第２実施例の構成を示す回路図である。
【図６】本発明のドリフトキャンセル装置の第２実施例の構成を示す回路図である。
【図７】本発明のドリフトキャンセル装置の第２実施例の主要部の波形を示す波形図である。
【図８】本発明のドリフトキャンセル装置の第４実施例の構成を示す回路図である。
【図９】本発明のドリフトキャンセル装置の第４実施例の主要部の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
【００４５】
１０…シリンダ、１１…圧電圧力センサ、１２…信号処理回路、１３…タイミングパルス発生回路、２０…Ａ／Ｄ変換器、２１…デジタル処理回路
【図１】
2004301823.tif 000003
【図２】
2004301823.tif 000004
【図３】
2004301823.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004301823.tif 000008
【図７】
2004301823.tif 000009
【図８】
2004301823.tif 000010
【図９】
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