JPS63193027A

JPS63193027A - 圧電型圧力検出装置

Info

Publication number: JPS63193027A
Application number: JP62024823A
Authority: JP
Inventors: Toshihiko Suzuki; 敏彦鈴木
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1987-02-06
Filing date: 1987-02-06
Publication date: 1988-08-10

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は圧電素子を用いた圧電型圧力検出装置に関し、
特に、圧電素子に発生した電荷を電圧あるいは電流へ変
換する回路が温度変化や電気雑音の影♂を受けにくい圧
電型圧力検出装置に関する。

〔従来の技術〕

強誘電体の結晶に圧力または張力を加えると、その強さ
に比例した分極を生じ、結晶表面に電荷を生じる現象を
利用して、圧力や振動のような機械量を電圧のような電
気量に変換する圧電素子は知られている。そして、この
ような圧電素子の発生した電荷を電圧あるいは電流へ変
換する回路、または入力インピーダンスの非常に高いイ
ンピーダンス変換回路を圧力センサ（圧電型圧力検出装
置）に内蔵する技術も既に知られている。このような圧
力センサを使用した計測器の例としては、例えばキスラ
ー社製品カタログ「圧電型圧力変換器」に見られるもの
（第５図）があり、圧力センサを内燃機関の燃料圧や気
筒内圧の検出に使用した例としては、例えば特開昭６０
−５３８２９号公報や特開昭６０−１５７０３２号公報
がある。

〔発明が解決すべき問題点〕

ところが、前述のような圧電素子を用いた圧力センサを
内燃機関に使用する場合は、通常センサは内燃機関のシ
リンダヘッド等、温度変化、電気雑音の条件が非常に厳
しい場所に装着されるために、圧電素子の発生した電荷
を電圧あるいは電流へ変換する変換回路が圧力センサに
内蔵されていたり、あるいは圧力センサと変換回路をつ
なぐワイヤによって伝わる電気ノイズにより、変換回路
は温度変化、電気雑音の影響を非常に強く受け、ダイナ
ミックレンジが小さくなったり、出力精度が低下すると
いう問題点がある。この理由としては次の二つが考えら
れる。

（１）従来のセンサは圧電素子の一方の端子がセンサグ
ランドに落ちている。このため、端子の一方は高入力イ
ンピーダンスになっており、他方は低入力インピーダン
スになっていて、高インピーダンス側に大きなノイズが
発生する。

（２）　（１）の改良として第５図に示すように、圧電
素子１３のグランド接地電極１１をセンサケース１２か
ら絶縁部品１５を用いてフローティングし、さらにフロ
ーティングしたグランド接地電極１１を他方の電極１４
のシールドとして使用することが行なわれている。しか
しながら、シールドしてフローティングした圧電素子１
３のグランド接地電極１１から変換回路（図示せず）の
グランド間は、インピーダンスを低くするのに■界があ
り、必ずしもノイズの影響を受けないグランド電位点と
はならない。

つまり、この場合シールドしたグランド接地電極１１に
ノイズの影響が大きくなる。

（３）また温度変化に対しては（１）（２）とも片方の
端子の入力インピーダンスが低く、問題が大きい。

つまり、従来の圧電素子を用いた圧力センサは圧電素子
の一方の電極が増幅器の入力に接続され、他方の電極が
増幅器のグランドに接続されているので、圧電素子から
見た変換回路の入力インピーダンスが平衡しておらず、
温度変動、電気雑音の影響が一方の電極側に強く現れ、
圧力センサの出力が温度変化、電気雑音の影古を非常に
強く受け、ダイナミックレンジが小さくなったり、出力
精度が低下するという問題点が発生する。

このような問題点は変換回路をケースに内蔵する場合、
変換回路をケース外部に設ける場合にかかわりなく発生
する。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の目的は、前記従来の圧電素子を用いた圧力セン
サに見られる温度変化、電気雑音に起因する問題点を解
消し、圧力センサの出力が温度変化、電気雑音の影響を
受けないような変換回路を内蔵、あるいは外部に設けた
圧電型圧力検出装置を提供することにある。

前記目的を達成する本発明の圧電型圧力検出装置は、外
部圧力を受けると電極間に電荷を生じる圧電素子と、こ
の圧電素子の発生電荷を電圧、電流あるいは他の信号に
変換する変換回路と、少なくとも前記圧電素子を内蔵す
るケースとからなり、変換回路を内蔵する場合は、少な
くとも前記変換回路への電源端子、前記変換回路からの
出力端子及び前記ケースに接続されない前記変換回路の
グランド端子とを備え、変換回路を内蔵しない場合はケ
ースよりフローティングされた圧電素子の２つの出力端
子と、別に設置された変換回路及びこれらをつなぐワイ
ヤを備える圧電型圧力検出装置であって、前記変換回路
には前記圧電素子の二つの電極にそれぞれ接続する二つ
の増幅器と、これら二つの増幅器の出力が入力され、−
その出力が前記出力端子に接続する差動増幅器とを備え
ていることを特徴としている。

〔作　用〕

本発明の圧電型圧力検出装置によれば、圧電素子の２つ
の電極に温度変動、電気雑音の影響が同じように生じる
ため、インピーダンス変換回路内でこれらの温度変動要
素、電気雑音要素が相殺されてしまい、圧電型圧力検出
装置の出力にこれらの影響が生じない。

〔実施例〕

第１図山）は本発明の圧電型圧力検出装置の一実施例の
構成を示す圧力センサｌの構成を示すものであり、例え
ばこの圧力センサｌは内燃機関のシリンダヘッド等に取
り付けられて、シリンダ内の圧力を検出するのに使用さ
れるものである。また、第１図（ａ）は圧力センサｌに
内蔵される圧電素子３の両電極から見たインピーダンス
（２点鎖線で示す）を示す説明図である。

圧力センサ１のセンサケース２は略柱状をしており、そ
の側面には内燃機関のシリンダに連通ずるシリンダヘッ
ドに設けられた孔にセンサケース６００螺着させるため
のねじ部２ａ、フランジ２ｂ、先端部に設けられた凹部
２ｃおよび後端部に設けられた中空部２ｄがある。

前記凹部２ｃ内には外部圧力を受けると電極間に電荷を
生じる圧電素子３が挿入されており、前記凹部２ａの開
口部には圧電素子３の受圧端に接すると共に開口部をシ
ールするようにダイヤフラム４が取り付けられている。

前記圧電素子３には例えばＹ゛カツト水晶が使用される
。水晶３は第２図（ａ）、　（ｂ）に示すように水晶３
はＰ方向の圧力を受けると、Ｐ方向とは垂直なＲ方向に
電位差を生じるので、この実施例では前記Ｒ方向に二つ
の電極３ａ、３ｂが設けられている。５はこれら電極３
ａ　、　３ｂを前記中空部２ｄに内蔵された変換回路６
に接続するリード線である。

前記変換回路６は圧電素子３の電極３ａ、３ｂ間に発生
する電荷を電圧、電流あるいは他の信号に変換するもの
である。変換回路６はセンサケース２の中空部２ｄ内に
外部からの影響が及ばないようにシール材７により密封
されており、変換回路６と外部とは貫通コンデンサ等を
用いた例えば３つの端子７ａ、７ｂ、７ｃに接続する３
本のワイヤ８ａ、８ｂ、８ｃによって連絡されている。

３本のワイヤ８ａ、８ｂ、８ｃは、例えばワイヤ８ａが
電源Ｖｃｃに接続され、ワイヤ８ｂがグランドＧＮＤに
ｉ続され、ワイヤ８ｃが出力となっている。なお、グラ
ンドＧＮＤに接地される端子７ｂはセンサケース２には
接地されていない。また、前記センサケース２は中心線
Ｃを通り、前記圧電素子３のＲ方向に垂直な面に対して
対称（第１図（ａ）ではセンサケース２の上下が対称）
に形成されている。９はセンサケース２の後端部に被せ
られたキャップである。

第１図（ａ）は以上のように構成された本発明の圧電型
圧力検出装置である圧力センサｌの変換回路６の構成、
および圧電素子３から見た変換回路６の入力インピーダ
ンスおよび圧電素子３から見たセンサケース２間とのイ
ンピーダンスの等価回路を示す図である。圧電素子３の
二つの電極３ａ、３ｂはそれぞれ点Ａ、Ｂで示されてお
り、変換回路６　゛のグランドは点Ｇで示されている。

また、点にはセンサケース２の全体を示している。

変換回路６には圧電素子３の一方の電極３ａに接続する
増幅器＾１と、圧電素子３の他方の電極３ｂに接続する
増幅器＾２、およびこれらの増幅器＾１．Ａ２の出力が
入力される差動増幅器Ａ３がある。即ち、本発明では圧
電素子３の二つの電極３ａ、３ｂに発生する電荷は二つ
の増幅器ＡＩ、Ａ２によって増幅され、これらの出力は
差動増幅器＾３によって更に増幅されて出力端子７ｃに
現れるようになっている。ここでＺｉａは圧電素子３の
電極３ａから見た変換回路６の入力インピーダンスおよ
びそれ以外のもの、すなわち変換回路６により発生する
点Ａ一点点間間インピーダンスを示しており、Ｚｉｂは
圧電素子３の電極３ｂから見た変換回路６の人力インピ
ーダンスおよびそれ以外のもの、すなわち変換回路６に
より発生する点Ｂ一点点間間インピーダンスを示してい
る。また、Ｚｋａは圧電素子３の電極３ａからセンサケ
ース２を見た信号グランドとの間のインピーダンス、即
ち点Ｋを経て見た点Ａ一点点間間インピーダンスを示し
ており、Ｚｋｂは圧電素子３の電極３ｂからセンサケー
ス２を見た信号グランドとの間のインピーダンス、即ち
点Ｋを経て見た点Ａ一点点間間インピーダンスを示して
いる。

第１図（ｂｌに示す本発明の圧力センサ１は、圧電素子
３の両電極をそれぞれ独立した別個の増幅器で受けるこ
とに特徴があるが、この変換回路６の回路構成を最も効
率良く作動させるために、第１図（ａ）における点Ａか
ら見た変換回路６の入力インピーダンスＺｉａと、点Ｂ
から見た変換回路６の入力インピーダンスＺｉｂとが等
しく、Ｚｉａ＝Ｚｉｂ　　　　・・・・・・■となっている。

さらに、圧力センサｌは前述のように前記センサケース
２は、その中心線Ｃを含む前記圧電素子３の電極方向に
垂直な面に対して対称に形成されているので、第１図（
ａｌの点Ａ１点Ｂからのセンサケース２に対するインピ
ーダンスＺｋａとインピーダンスＺｋｂがそれぞれ等し
く、Ｚｋａ＝Ｚｋｂ　　　　・・・・・・■となってい
る。

これを実際の回路を用いて説明する。第３図は第１図（
ａ）の変換回路６の実現回路の一実施例を示している。

第３図において１１．１２．１３は増幅器ＡＩ・＾２．
Ａ３を構成する高入力インピーダンス、低バイアス電流
、低オフセント電圧の高精度オペアンプであり、オペア
ンプ１１とオペアンプ１２には特性の似たものが使用さ
れている。この回路において前記Ｚｉａに相当するイン
ピーダンスは、オペアンプ１１の高い値の入力インピー
ダンスをＺ　ｉａ’　とし、オペアンプ１１の入力イン
ピーダンスＺ　ｉａ’以外の端子Ａから端子Ｇまでのイ
ンピーダンスをＺａとしたときに、Ｚｉａ＝（Ｚｉａ’
／／　Ｚａ）　（／／は並列合成インピーダンスを示す
）で表される。一方前記Ｚｉｂに相当するインピーダン
スは、オペアンプ１２の入力インピーダンスをＺ　ｉｂ
’　　とし、オペアンプ１２の入カインピーダンスＺｉ
ｂ’以外の端子Ａから端子Ｇまでのインピーダンスをｚ
ｂとしたときに、Ｚｉｂ＝（Ｚｉｂ”／／　Ｚｂ）で表
される。

そして、Ｚｉａ’　、Ｚｉｂ’　は共に使用するオペア
、ンプのカタログ値で判るので、第３図の回路において
前記０式を満足させて回路を平衡型にするためには、回
路定数を次のように定めれば良い。すなわち、Ｚｉａ’
　　＝Ｚｉｂ’　かつＲｆａ＝ＲｆｂかつＣｆａ＝Ｃｆ
ｂ、または（Ｚｉａ’　／／Ｒｆａ／／Ｃｆａ）　＝　
（Ｚｉｂ’／／　Ｒｆｂ／／　Ｃｆｂ）となるように設
定すれば良い。これは、オペアンプの入力インピーダン
スＺ　ｉａ’　。

Ｚ　ｉｂ’　は極めて大きく、また、入力インピーダン
スＺｉａ’、Ｚｉｂ“以外のインピーダンスＺａ、　Ｚ
ｂのうち、Ｒｆａ／／　ＣｆａおよびＲｆｂ／／　Ｃｆ
ｂを除くものは無視できるからである。またセンサケー
ス２を圧電素子３の二つの電極に対して幾何学的に対称
に形成すれば、Ｒｋａ＝Ｒｋｂ、Ｃｋａ＝Ｃｋｂとなり
、前記０式は満足されることになる。

このように圧力センサｌにおいて、前述のインピーダン
スＺｉａ、　　Ｚｉｂ、　　Ｚｋａ、　　Ｚｋｂに■、
■式のような関係があると、二本のリード線５における
ノイズの影響、変換回路６の温度変動が圧電素子３の両
電極に等しく現れるため、これらが変換回路６の最終段
のアンプにおいて相殺され、結果として変換回路６の出
力には現れなくなる。

また、前述のように変換回路６を平衡型とすると、等価
的には素子感度が２倍になり、後段増幅器で出力が２倍
される場合に比べて温度変動、電気雑音の影響が少なく
なる。これは、オペアンプ１１の出力をＶ　ａ　ｓオペ
アンプ１２の出力をｖｂ１オペアンプＶ１３の出力をＶ
ｏとすると、Ｖａ−−Ｖｂとなり、結果としてオペアン
プ１３への入力電圧はＶａ　−Ｖｂ　＝’ｌＶａで不平
衡型の２倍となるからであり、後段増幅器で出力が２倍
されて温度変動、電気雑音の影響も２倍されるのとは違
う効果である。

更に、本発明の圧力センサｌは、第５図のセンサに見ら
れる絶縁部品１５、シールド部品１１が不要になるので
、従来の圧電素子非接地型センサの構造に比べて構造が
簡単で部品点数が減少する。

第４図は第３図とは異なる第１図（ａ）の変換回路６の
実現回路の実施例を示している。第４図において２１．
２２．２３は増幅器＾１．Ａ２．＾３を構成する高入力
インピーダンス、低バイアス電流、低オフセツト電圧の
高精度オペアンプであり、オペアンプ２１とオペアンプ
２２には特性の僚たものが使用されている。この回路に
おいて前記実施例同様に０式を成立させるためには、前
記実施例と同じように、オペアンプ２１の入力インピー
ダンスＺ　ｉａ’　　とオペアンプ２２の入力インピー
ダンスＺｉｂ’　とを一致させ、かつＲｅａ＝Ｒｅｂか
つＣｅａ＝Ｃｅｂとするか、または、（Ｚｉａ’／／　
Ｒｅａ／／Ｃｅａ）　＝　（Ｚｉｂ’／／　Ｒｅｂ／／
Ｃｅｂ）となるように設定すれば良い、また、この実施
例でもセンサケース２を圧電素子３の二つの電極に対し
て幾何学的に対称に形成すれば、Ｒｋａ＝Ｒｋｂ。

Ｃｋａ＝Ｃｋｂとなり、前記０式は満足されることにな
る。

なお、本発明の他の実施態様として、第１図［ａ）の回
路において、Ｚｉａ＝Ｚｉｂのみを実現させたもの、お
よび（Ｚｉａ／／Ｚｋａ）　＝　（Ｚｉａ／／Ｚｋｂ）
としたものがあるが、これらも第１図（ａ）の回路にお
いて、Ｚｉａ＝ＺｉｂかつＺｋａ−Ｚｋｂとしたものと
同様の効果を有するものである。

更に、本発明の実施態様としては変換回路をケース外に
設けたものもある。このときは圧電素子の２つの電極が
ケースあるいは変換回路のグランドに直接接続されてい
ない構成となる。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の圧電型圧力検出装置は、圧
力を受けた際に内蔵の圧電素子の二つの電極に発生する
電荷をそれぞれ独立した増幅器で受け、さらにこれら二
つの電極から見たインピーダンスを平衡させたことによ
り、圧電素子の２つの電極に温度変動、電気雑音の影響
が同じように生じるため、インピーダンス変換回路内で
これらの温度変動要素、電気雑音要素が相殺されてしま
い、圧電型圧力検出装置の出力にこれらの影響が生じな
くなると共に、素子感度が２倍になるという効果がある
。また、変換回路に使用するオペアンプに対する要求性
能を低くすることができると共に、従来の圧電素子接地
型センサに比べて構造が簡単で部品点数が少ない圧力セ
ンサを提供することができるという利点もある。

【図面の簡単な説明】

第１図（ａ）は本発明の圧電型圧力検出装置の内部構成
および圧電素子の電極から見たインピーダンスを合わせ
て示す説明図、第１図中）は本発明の圧電型圧力検出装
置の一実施例の構成を示す断面図、第２図（ａ）、　（
ｂ）は第１図中）の圧電素子の構成を示す平面図、側面
図、第３図は第１図（ａ）の変換回路の一実施例の実際
の構成を示す回路図、第４図は第１図（ａｌの変換回路
の他の実施例の実際の構成を示す回路図、第５図は従来
の圧電型圧力検出装置の構造を示す図である。ｌ・・・圧力センサ、２・・・センサケース、３・・・
圧電素子、４・・・ダイヤフラム、５・・・リード線、
６・・・変換回路、７・・・シール部材、７ａ、　７ｂ
、　７ｃ・・・端子、ＡＩ。＾２．Ａ３・・・増幅器。第３図第４図第５図

Claims

【特許請求の範囲】１、外部圧力を受けると電極間に電荷を生じる圧電素子
と、この圧電素子の発生電荷を電圧、電流あるいは他の
信号に変換する変換回路と、前記圧電素子または前記圧
電素子と変換回路の両方を内蔵するケースとからなり、
少なくとも前記変換回路への電源端子、前記変換回路か
らの出力端子及び前記ケースに接続されない前記変換回
路のグランド端子とを備える圧電型圧力検出装置であっ
て、前記変換回路には前記圧電素子の二つの電極にそれぞれ
接続する二つの増幅器と、これら二つの増幅器の出力が入力され、その出力が前記
出力端子に接続する差動増幅器と、を備えていることを
特徴とする圧電型圧力検出装置。２、前記圧電素子の一方の電極に接続される前記変換回
路の一方の入力端子の入力インピーダンスと、前記圧電
素子の他方の電極に接続される前記変換回路の他方の入
力インピーダンスとを等しくしたことを特徴とする特許
請求の範囲第１項に記載の圧電型圧力検出装置。３、前記圧電素子の一方の電極と前記変換回路のグラン
ド端子間で、前記ケースあるいは浮遊容量等の合成イン
ピーダンスとして表わされる、変換回路を経由しない経
路により生ずるインピーダンスと、前記圧電素子の他方
の電極と前記変換回路のグランド端子間で、前記ケース
あるいは浮遊容量等の合成インピーダンスとして表わさ
れる、変換回路を経由しない経路により生ずるインピー
ダンスとを等しくしたことを特徴とする特許請求の範囲
第１項に記載の圧電型圧力検出装置。４、前記圧電素子の一方の電極に接続される前記変換回
路の入力インピーダンスと、前記圧電素子の他方の電極
に接続される前記変換回路の入力インピーダンスとを等
しくし、かつ、前記圧電素子の一方の電極と変換回路の
グランド間の、変換回路入力インピーダンス以外のイン
ピーダンスと、前記圧電素子の他方の電極と変換回路の
グランド間の、変換回路入力インピーダンス以外のイン
ピーダンスとを等しくしたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項に記載の圧電型圧力検出装置。