JP2006511815A - センサの診断方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する方法に関する。この方法では、自動車の作動中に、センサの出力信号を、出力信号の最大値が第１の閾値を下回ったか否か、および／または出力信号の最小値が第２の閾値を上回ったか否かについて検査し、そうである場合には、自動車の再始動時にセンサが正しくないデータを供給する可能性があることを制御装置に知らせる信号を制御装置に伝達する。

Description

本発明は、内燃機関を有する例えば自動車内のセンサの診断方法に関する。診断されるべきこの種のセンサは例えば、自動車のカムシャフトの位相センサである。この種のセンサは検出された量が特定の閾値を上回っているかまたは下回っているかに依存して相応の出力信号を供給する。

この種のセンサは、例えば磁界に反応するセンサであって、このようなセンサによって歯が設けられた発信器ホイールの回転速度および／または位置が求められる。このような形式のセンサは、発信器ホイール（その位置および回転速度が検出されるべきである）がセンサと磁石の間を通過し、これによってちょうど発信器ホイールの歯が磁界に対向する位置に来るとセンサが弱い磁界を登録し、ちょうど発信器ホイールの歯が磁界に対向しない位置に来ると（ギャップ部分が磁界に対向する位置に来ると）強い磁界を登録する（またはこの逆）ように構成および配置されている。このようなセンサは、誘電性に作動するか、ホール技術またはＸＭＲ技術に基づく。

図２には発信器を有するこの種の装置が概略的に示されている。ここでＲは発信器ホイールをあらわし、Ｇは磁石とセンサを含む発信器をあらわし、Ｗは発信器ホイールＲが取り付けられているエレメントをあらわす。このエレメントの回転速度および／または位置が求められるべきである；このエレメントＷは例えば内燃機関のクランクシャフトまたはカムシャフトである。

念のために、図２に示された装置は非常に概略的に示されているということを示唆しておく。殊に発信器ホイールＲは実際にはより多くの歯、または別の形状の歯を有していてもよい。

センサによって登録された磁界はここで、電流または電圧に変えられる。この電流または電圧の量は直接的または間接的に磁界の大きさに比例する。

本発明による診断方法の基本となるセンサはデジタル信号を送出する。センサはこのために、登録された磁界が変化されたものである電気的な量を閾値と比較して、この電気的な量が閾値より大きいときおよびその間はハイレベルの信号を送出し、電気的な量が閾値より小さいときおよびその間はローレベルの信号を送出する（またはその逆）。

閾値が正しく定められている場合に、この種のセンサが予期された出力信号だけを出力することは明らかであり、詳細な説明は必要でないだろう。

しかしここで実際には、センサによって登録された磁界の量および磁界の量が変えられたものである電気的な量が種々異なる要素（例えば温度、センサの配置、汚れの程度、年数等）に依存することが公知である。これによって元来最適に定められた閾値が突如としてもはや最適でなくなってしまう、または完全に使用不可能になってしまう。

このような理由から、自己較正式センサがしばしば使用される。このような自己較正式センサは閾値を自身で、所与の状態に合わせることができる。これは例えば次のことによって行われる。すなわちセンサが通常作動中に、どの領域で、閾値と比較されるべき量が変化したのかを求め、その後、例えばこの領域のちょうど中央に位置するように閾値を変えることによって行われる。

しかしこのような自己較正によって、常に結果が得られるわけではない。すなわち自己較正は発信器ホイールが回転しているときのみ実行可能である。なぜならここでしか、その中で閾値と比較されるべき量が変化する領域を求めることができないからである。

しかし他方ではしばしば次のことが重要である。すなわちセンサおよび／またはセンサを含む装置の動作開始直後に、すなわち発信器ホイールがまだ停止しているときに、監視されるべきエレメントの位置または回転速度に関する情報を得ることが重要である。

これは例えば、センサが内燃機関のカムシャフトの位置および／または回転速度を監視するために使用される場合である。ここでは、内燃機関の始動前から既にカムシャフトの位置に関する情報が得られるのが望ましい。このような情報（正確に言えば、センサが丁度発信器ホイールの歯または隙間がセンサに対向しているか否かの情報）は、内燃機関を最適に始動させるのに必要である。

しかしセンサは、カムシャフトが停止しているときおよびその間は較正されないので、センサがカムシャフト位置に関して供給する情報が正しいということから確実に出発することはできない。

検出された量が閾値を上回っているか否か、または下回っているか否かに出力信号が依存する他の全てのセンサでも相応の問題が存在している。

従って本発明の課題は、占有状態（herrschenden Verhaeltnisse）を反映していないセンサの出力信号が使用されることが阻止される、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する方法を提供することである。本発明の別の課題は、これに相応した機能を有するセンサを提供することである。

上述の課題は、請求項１に記載された、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する方法によって解決される。さらに上述の課題は、検出された量が特定の閾値を上回っているか否か、または下回っているか否かに出力信号が依存するセンサによって解決され、ここでこのセンサは作動中に、センサの作動開始時に使用される閾値によって、出力されるべき信号の正しい決定が保証されるか否かを検査し、そうでないことを確認すると、センサはこのような状況をあらわす情報を出力する。

本発明によるセンサは作動中に、センサの作動開始時に使用される閾値によって、出力されるべき信号の正しい決定が保証されるか否かを検査し、そうでないことを確認すると、センサはこのような状況をあらわす情報を出力するということを特徴とする。

これによってこのセンサは、センサによって出力された信号を使用する装置に、次の作動開始時にセンサによって出力される信号は、占領状態を反映していない可能性がある、または確実に反映していないということを伝達する。これによって、センサ出力信号を使用する装置が占領状態を反映していない情報に依存して作動することが阻止される。

本発明の有利な発展形態は従属請求項、以降の説明および図面に記載されている。

本発明を以下で実施例に基づき、図面を参照してより詳細に説明する。
図１Ａには以下で説明するセンサによって検出された量の時間的な経過特性が示されており、
図１Ｂには、図１ａに示された経過特性を検出したときにセンサが通常出力する出力信号が示されており、
図１Ｃには、作動開始時に使用される閾値を使用した場合に、センサ出力信号が占有状態を反映することが保証されないことを確認した場合にセンサが出力する出力信号が示されており、
図２には、以下に説明するセンサを含む装置が記載されており、
図３には、閾値を上回ったかについての検査が示されており、
図４には、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する本発明による方法の実施例が示されている。

以下に記載するセンサは、内燃機関のカムシャフトの回転数または位置を検出する回転数センサである。ここではカムシャフトの位置によって、いわゆる位相センサが意味されている。この位相センサは、どの位相に内燃機関のクランクシャフトが存在しているかを求める。このセンサは、正確に言えば磁界に反応するセンサである。このセンサによってカムシャフトに取り付けられた、歯が設けられた発信器ホイールの回転速度および／または位置、ひいては発信器ホイールを担うカムシャフトの位置も求められる。このセンサは次のように構成および配置されている。すなわち発信器ホイールがセンサと磁石の間を通過し、これによって、ちょうど発信器ホイールの歯がセンサに対向しているとセンサが弱い磁界を登録し、ちょうど発信器ホイールの歯がセンサに対向していないと（ギャップ部分がセンサに対向していると）センサが強い磁界を登録する（またはこの逆）ように構成および配置されている。

センサによって登録された磁界は、ここで電流または電圧に変えられる。電流または電圧の量は直接的または間接的に磁界の大きさに比例する。さらなる観察のために、磁界が電圧に変換されるということから出発する。しかし以下の実施例は、電流への変換に対して相応に有効である。

変換の結果として生じる電圧の時間的経過特性は、例えば図１ａに示されている。図示された電圧特性は正規化して示されている。ここで最小電圧には値０が割当てられており、最大電圧には値１が割り当てられている。

考察されているこのセンサはデジタルセンサを出力する。このセンサはこのために、登録された磁界が変化されたものである電気的な量を閾値と比較して、電気的な量が閾値より大きいときおよびその間はハイレベルの信号を送出し、電気的な量が閾値より小さいときおよびその間はローレベルの信号を送出する（またはその逆）。

図１ＡでＳによって示された、最大電圧と最小電圧のちょうど中央に位置する閾値を、図１Ａに示された電圧をセンサによって出力されるべき信号へ、上述したように変換するのに使用する場合、図１Ｂに示された電圧経過特性が得られる。

図１Ｂに示された信号はセンサによって出力され、センサが接続されている装置によって評価される。この実施例では、パルスの各前方エッジのみがここで対象とされると仮定する。センサの信号を評価する装置は通常はセンサに直接的に組み込まれている評価回路である。または択一的に、内燃機関の作動を制御する制御装置である（エンジン制御装置）。

冒頭で既に記載したよう、図１Ａ内に示された電圧経過特性は種々異なる要素（例えば温度、センサの配置、汚れの程度、年数等）に依存して変化し得る。殊に、最小電圧が上昇する、および／または最大電圧が下降する、または最小電圧も最大電圧も上昇または下降するということが生じ得る。この結果、閾値が突発的に、もはや最小電圧と最大電圧の間の中央に位置しなくなり、これによって遅かれはやかれ、その他に条件が同じである場合に、変化されたアナログ信号を、デジタル信号へ変換する際に図１Ｂに示された信号とは異なる結果が生じることがある。

このような状況はこの実施例では次のことによって顧慮される。すなわち使用されているセンサが自己較正式センサとして構成されていることによって考慮される。このセンサはセンサ内に記憶されている閾値を、システムの作動開始直後にのみ使用し、できるだけ迅速により適切な閾値を求め、これをセンサ内に記憶されていた閾値の代わりに使用する。

ここで理論的には、センサ内に不揮発性メモリを設けることが可能であろう。この不揮発性メモリ内には、内燃機関の動作終了直前に最後に存在する閾値が記憶され、この閾値が次の動作開始時に使用される。しかしこのようなバリエーションは技術的およびコスト的な理由から、経済的にほぼ実現不可能である。従って一般的には固定して設定された、センサ内に記憶された閾値で作動が行われなければならない。

内燃機関の作動中に最適な閾値を求めることは例えば次のことによって行われる。すなわち、図１Ａに示された、またはそれに対して変えられた電圧経過特性の最大電圧と最小電圧の間の中間値を求め、この中間値を閾値として使用することによって行われる。

ここで考察しているセンサは、さらに特別な点を有している。すなわちこのセンサは作動中に、センサの作動開始時に使用された閾値によって、出力信号の正しい確定が保証されるか否かを検査し、そうでないことを確認すると、センサはこのような状況を、センサに接続されている装置に知らせるという特別な利点を有している。すなわちこの場合には、相応の信号がエンジン制御装置に伝達される。この伝達は、第１に伝達されるべき情報にこのような付加情報が損出なく重ねられることで行われる。これは、主要情報が立ち上がりエッジの時間的な位置において生じる信号に対して、立ち下がりエッジ上に重畳することによって行われる。立ち上がりエッジは通常作動時のように伝送され、これによってシステムの実行中の機能が保証される。

これによって、センサに依存して作動する装置が、センサの次の作動開始時に誤っている可能性のあるセンサ信号で作動することが阻止される。言い換えれば：センサ内に記憶されている閾値と、作動中に修正された閾値の間の偏差が大きすぎる場合には、信号がエンジン制御装置に伝達され、エンジン制御装置内の固定記憶装置内に記憶される。この記憶された情報に基づいて、エンジン制御装置は、相応するセンサ（例えば内燃機関のカムシャフトの位相センサ）が再始動時に使用可能でない、または制限付きでしか使用可能でないということを示唆する。さらに、エンジン制御装置は内燃機関の始動を、択一的なセンサ量に基づいてまたは記憶された特性量に基づいて行うことができる。これは通常は、いわゆる非常事態機能であり、これはこの場合に、内燃機関の始動を実行するために使用される。内燃機関が始動され、カムシャフトが動き始めると、センサの較正過程が始まり、センサの較正が終了した後には、センサによって供給された出力信号がエンジン制御に対して使用される。

センサの動作開始時に使用される閾値によって、センサ出力信号の正しい決定が保証されないという状況を、ここで考察されているセンサは接続を介して知らせる。この接続を介してセンサは検出された量をあらわす、例えば図１Ｂに示された信号を送出する。すなわち本発明では、エラー信号を伝達するのに付加的な駆動制御線路は必要ではなく、以下に示されたやり方ではいずれにせよ使用されるセンサの接続線路をエンジン制御装置への信号伝達に使用する。

これは本実施例では、次のことによって行われる。すなわち所与のパルスの出力されるべき信号の持続時間（図１Ｂの信号を参照）を短くして、これが、センサを通過する発信器ホイールの歯またはセンサを通過する発信器ホイールのギャップ部分（Luecke）に由来しないようにすることによって行われる。これは容易な妥当性検査によって制御装置において行われる。

このような経過特性の時間的経過は図１Ｃに示されている。図１Ｃに示された信号は、次のような場合の、図１Ｂに示された信号である。すなわちセンサ作動開始時に使用される閾値によってセンサ出力信号の正しい確定が保証されないことセンサが確認した場合の、図１Ｂに示された信号である。

図１Ｂおよび図１Ｃに示された信号内に含まれるパルスは、ちょうど同じ場所で立ち上がりエッジを有しており、この点においては異ならない。

センサ信号を評価する装置（エンジン制御装置）はこの例では、センサ信号内に含まれているパルスの立ち上がりエッジにのみ依存して作動するので、これは１図Ｃに示された信号の受信時には、図１Ｂに示された信号が供給されたときと同じように作動する。

しかし図１Ｃに示された信号内に含まれているパルスは、図１Ｂに示された信号の場合より非常に短い。これは発信器ホイール歯または発信器ホイールギャップ部分のセンサ通過から生じないほど短い。パルスの通常でない長さで評価装置は次のことを識別する。すなわちセンサの作動開始時に使用された閾値によってセンサ出力信号の正しい決定が保証されないということを識別する。図１Ｃで使用された信号伝達は実際には、図１Ｂに示された信号の符号化である。

図１Ｃに示された符号化に対して択一的に、例えば以下の２つの符号化バージョンを使用することができる。

いずれにせよ既に付加情報を伝達しているパルス幅変調されたプロトコールを使用する場合には、特別なパルス幅が使用される。

マンチェスターコーディング３レベルプロトコールの場合には、例えば特定のビットによって符号化が行われる。

評価装置が相応に符号化された信号にどのように反応するのかは個々のケースに依存する。これに対して種々異なる手段が存在することは明らかである。考察しているこの実施例では評価装置は次のことによって反応する。すなわち評価装置に伝達された状況を不揮発性メモリ内に記憶し、次の作動開始時にセンサから評価装置に供給された信号を無視するということによって反応する。これは本実施例では大きな問題無く可能である。なぜならクランクシャフトの位置も求められ、このクランクシャフトの位置からカムシャフトの位置も求められるからである。このようなカムシャフト位置算出はカムシャフトに設けられたセンサによるカムシャフト算出と同じくらいに正確であるというわけではないが、エンジンを始動させるのには充分に正確である。これはいわゆる非常事態機能である。

エンジンの始動後にカムシャフトは回転し、従ってカムシャフト位置を検出するセンサは自身で較正して、最適な閾値を求め、これを使用する。これが行われる限り、センサの出力信号は制限なしに使用される。

念のために次のことに注意されたい。すなわちこのセンサは、検出された量が閾値を上回るかまたは下回るかに出力信号が依存する他のセンサであってもよいということに注意されたい。作動中に求められた測定信号は目標値との比較によって、今後の状態を予言するのに使用され、これは付加情報の出力によって既に動作中に伝達される。

上述したセンサの特別な点は、非自己較正式センサでも有利であることがわかっている。

さらに、最適な閾値が最大入力量と最小入力量との中央に位置していなければならないというわけではないことにも注意されたい；使用ケースによっては閾値が多かれ少なかれ中央値をはるかに上回る、または下回ることが要求され得る。

最終的には、センサの始動開始時に使用される閾値が必ずしもセンサ内に記憶されなければならないというわけではない；この閾値はセンサに、作動開始時にどこか別の場所から供給されてもよい。

上述したセンサによって実際の実現形態の詳細に依存しないで、占有状態を反映していないセンサ出力信号が使用される可能性が阻止される。

図３には、いわゆるドリフト状況におけるセンサ出力信号３１の振動が示されている。ここではセンサの最大出力値および最小出力値が時間の経過においてドリフトし、元来の値から離れる。図３では、水平線において時間軸が示され、垂直線においてセンサ信号の振幅が示されている。破線３２によって固定的にセンサ内に記憶される閾値が示されている。垂直線３３によって、センサ出力信号３１の最小値が閾値を上回ったことが確実に確かめら、ひいてはセンサのスイッチオン時に確実な機能がもはや保証されない時点が示されている。この時点で本発明ではエンジン制御装置ないしは一般的な制御装置に、センサが自動車の再始動時に不正確なデータを供給する恐れがあることを知らせる。これは例えば次のような場合でもある。すなわちセンサ信号が下降し、センサ信号の最大値が閾値の下回った場合でもある。一般的には種々異なる２つの閾値がセンサ信号の最小値および最大値に対して定められてもよい。

言い換えれば：センサ信号の最小値または最大値が離れる方向にドリフトし、閾値を上回るまたは下回る場合、センサが自動車の再始動時に高い確率で確実な出力信号を供給せず、較正が行われた後にはじめて使用可能になるということから出発しなければならない。相応の情報はエンジン制御装置の不揮発性メモリ内に記憶され、制御装置から新たな再始動状況において問い合わせされる。

内燃機関ないしはセンサのさらなる作動時に、センサの出力信号が再び、再始動後に評価を可能にする領域内に位置することが明らかになると、エンジン制御装置メモリ内への場合によって行われる記入がリセットされる。

本発明との関連においては、内燃機関の始動直後に使用される、センサ内に固定的に記憶される閾値と、内燃機関の作動中に実行する較正によって生じる閾値は明確に区別されなければならない。内燃機関の作動中に実行される較正によって生じる閾値は、例えばセンサの揮発性メモリ内に格納される。

図４には、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する本発明による方法が示されている。この方法はステップ４１で、例えば自動車の運転者がイグニッションキーを操作することによる、スタート要求で開始する。引き続きステップ４２で、このセンサが内燃機関の制御に使用可能であるか否かが検査される。これは、相応の情報がエンジン制御装置の不揮発性メモリから読み出されることによって行われる。センサないしセンサ出力信号が使用可能であることが確定すると、ステップ４３において内燃機関の通常の始動がセンサデータを使用して行われる。センサデータが使用されないことが確定されると、ステップ４４に移行する。ステップ４４では、非常事態機能が起用される。例えば上述したように、クランクシャフト角度センサが、カムシャフトの位置を突き止めるために使用される。ステップ４３にもステップ４４にもつながっているステップ４５において、センサの較正が行われる。ここでは最小値と最大値が検出され、閾値が中間値にセットされる。ステップ４６では、測定された最小値および最大値が、上述した閾値基準を侵害するか否かについて検査される。そうである場合、ステップ４７においてエラー信号がエンジン制御装置へ本発明に相応して伝達される。この情報はエンジン制御装置内で、不揮発性メモリ内に格納され、次の始動過程のために使用される。ステップ５６において閾値判断基準が侵害されないことが確かめられると、ステップ４８において場合によっては制御装置の不揮発性メモリ内に存在するエラーエントリが消去される。ステップ４７および４８の後に、この方法はステップ４５に続く。このループは、内燃機関が非活性化されるまで行われる。

図１Ａはセンサによって検出された量の時間的な経過特性をあらわす図であり、図１Ｂは、図１ａに示された経過特性を検出した場合にセンサが通常出力する出力信号をあらわす図であり、図１Ｃは、作動開始時に使用される閾値を使用した場合に、センサ出力信号が占有状態を反映することが保証されないことを確認した場合にセンサが出力する出力信号をあらわす図である。 センサを含む装置をあらわす図である。 閾値を上回ったかについての検査をあらわす図である。 内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する本発明による方法の実施例をあらわす図である。

Claims (12)

1. 内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する方法であって、
   自動車の作動中に、センサの出力信号を、出力信号の最大値が第１の閾値を下回ったか否か、および／または出力信号の最小値が第２の閾値を上回ったか否かについて検査し、
   そうである場合には、自動車の再始動時にセンサが正しくないデータを供給する可能性があることを制御装置に知らせる信号を制御装置に伝達する、
   ことを特徴とする、内燃機関を有する自動車内のセンサを診断する方法。
2. 前記第１の閾値は前記第２の閾値と等しい、請求項１記載の方法。
3. 閾値を下回るないしは上回る場合には、まずはセンサの出力信号を自動車の再始動時に自動車の制御および／または調整に使用しない、請求項１記載の方法。
4. センサの較正が行われてはじめて、センサを再び自動車の制御および／または調整に使用する、請求項３記載の方法。
5. 前記較正を、センサの最大出力値および最小出力値を学習することによって行う、請求項４記載の方法。
6. 前記信号を制御装置内で不揮発性メモリ内に格納し、これによって前記信号が内燃機関の再始動時に直接的に使用される、請求項１記載の方法。
7. 前記センサは内燃機関のカムシャフトの位相センサである、請求項１記載の方法。
8. 内燃機関の始動を、非常事態において、位相センサを使用せずに行う、請求項３および７記載の方法。
9. 前記閾値をセンサの固定記憶装置内に格納する、請求項１または２記載の方法。
10. センサの較正によって閾値を合わせる、請求項９記載の方法。
11. 信号を符号化して伝達する、請求項１記載の方法。
12. 請求項１記載の方法を実行する手段を有している、
    ことを特徴とするセンサ。

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