JP2007047128A - 回転体の回転角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置のコスト上昇や複雑化を招くことなく、両回転方向の検出を可能する。
【解決手段】回転角度検出センサ２に対向する回転体１のギヤ歯１ａの形状を非対称な形状とし、センサ２に発生したパルス信号のデューティ比を算出して回転方向の判定をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、回転体の回転角度を検出する回転角度検出装置に係り、詳しくは、磁気検出素子を用いた回転角度検出装置に関するものである。

従来から、内燃機関の燃料噴射制御や点火時期制御を行うため、内燃機関のクランク角度を検出する回転角度検出装置が内燃機関に用いられている。

この種の回転角度検出装置の一例として、内燃機関のクランク軸に取り付けられ、外周に所定ピッチでギヤ歯を形成された軟磁性材料製の回転体と、回転体のギヤ歯に対向して固定配置された永久磁石と、前記回転体と前記永久磁石の間に固定配置されたホール素子や磁気抵抗素子などによる磁気検出素子とを用い、回転体の回転により磁気検出素子が出力する電圧信号に基づいて信号処理回路によってパルス信号を発生させ、内燃機関のクランク角度を検出を可能とするクランク角度検出装置が公知である。

この種の回転角度検出装置において、複数の磁気検出素子を用いて回転体の回転方向を検出可能としてものがある。たとえば、回転体の回転方向にギヤ歯のピッチの１／２隔設して各々ギヤ歯に対向するように２個のホール素子を用いたものがある（例えば、特許文献１）。

特開平５−２８８５７３号公報

内燃機関は、回転を停止するときに、シリンダ内に残った圧縮空気の圧力によってピストンが押し戻され、クランク軸が運転時に回転していた方向とは逆の方向に回転してしまうことがある。このように、内燃機関が押し戻しによって逆方向に回転している場合に、回転方向の検出が不可能であると、内燃機関の制御装置はクランク角度を誤って認識してしまい、燃料噴射制御や点火時期制御を異常なタイミングで実施してしまうことになる。

よって、異常なタイミングでの制御を回避するために、内燃機関の制御装置はクランク角度の回転方向を検出し、逆回転が発生している場合には、燃料噴射制御や点火時期制御を中止する必要がある。

また、アイドルストップ時などで、内燃機関停止後に再始動を行う場合、回転開始時（再始動時）のクランク角位置を内燃機関の制御装置が予め認識しておくことにより始動時間を短縮することができる。このため、内燃機関の制御装置は、内燃機関停止時においても逆回転の有無を検出し、クランク角位置の正確な停止位置を認識しておく必要がある。

これらの要求を持つ内燃機関の制御装置においては、回転方向の検出を可能としたクランク軸の回転角度検出装置を用いることになるが、前述した回転角度検出装置は、回転方向の検出を可能とするために、複数の磁気検出素子と、磁気検出素子の出力を処理する回路を素子毎に設ける必要があり、装置のコスト上昇と、装置の複雑化による信頼性の低下を招いてしまう。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、装置のコスト上昇や複雑化を招くことなく、両回転方向の検出を可能する回転角度検出装置を提供することである。

前記目的を達成すべく、本発明による回転角度検出装置は、外周に所定ピッチでギヤ歯を形成された軟磁性材料からなる回転体と、前記回転体の前記ギヤ歯に対向して固定配置された永久磁石と、前記回転体と前記永久磁石との間に固定配置された磁気検出素子と、前記磁気検出素子の信号出力電圧が判定閾値電圧との比較によってハイレベルであるかローレベルであるかを判定するコンパレータ回路とを備え、前記回転体の回転速度に応じた周波数のパルス信号を前記コンパレータ回路の出力端子に発生する回転角度検出装置であって、前記回転体の回転方向に対し前記ギヤ歯の順方向の歯面と逆方向の歯面とが互いに異なる角度になっており、前記コンパレータ回路の判定閾値電圧にヒステリシスを持たせたものである。

本発明による回転角度算出装置は、上述の発明による回転角度検出装置よりのパルス信号を入力して当該のパルス信号デューティ比を演算する手段を有し、前記デューティ比により前記回転体の回転方向が順方向であるか逆方向であるかを判定する。

本発明による内燃機関の制御装置は、上述の発明による回転角度算出装置を備えている。

本発明による回転角度検出用の回転体は、外周に所定ピッチでギヤ歯を形成された回転角度検出用の回転体であって、当該回転体の回転方向に対し前記ギヤ歯の順方向の歯面と逆方向の歯面とが互いに異なる角度になっている。

本発明によれば、回転体が回転したときにギヤ歯の形状により磁気検出素子の磁束密度が変化することにより、磁気検出素子の信号出力電圧が変化することを利用し、その電圧をコンパレータ回路に入力して閾値と比較することにより、パルス信号を生成し、そのパルス信号のデューティ比が回転体の回転方向により異なった値となることにより、デューティ比の値により回転体の回転方向を判定する。これにより、装置のコスト上昇や複雑化を招くことなく、回転方向を検出できる。

本発明による回転角度検出装置の一つの実施形態を、図面を参照して説明する。

図１において、回転角度検出装置は、回転体１と回転角度検出センサ２とを有する。

回転体１は、エンジンクランク軸等の回転軸に取り付けれて回転するものであり、軟磁性体製で、外周に所定ピッチでギヤ歯１ａを形成されている。ギヤ歯１ａは、回転体１の反時計廻り方向の回転方向Ａに対して順方向の歯面１ｂが歯先面１ｃとなす角度θａは直角よりも小さい値となっており、これに対し、逆方向の歯面１ｄが歯先面１ｃとなす角度θｂは直角となっている。つまり、θａ＜θｂになっている。

回転角度検出センサ２は回転体１の外側位置に非接触で固定配置される。回転角度検出センサ２は、非磁性体からなるケース２１と、ケース２１の内部に配置されて回転体１のギヤ歯１ａの歯先面１ｃに正対向して固定配置された永久磁石２２と、ケース２１の内部に配置されて回転体１と永久磁石２２との間に固定配置されたホールＩＣ１１とを有する。

永久磁石２２は、ＮＳ極軸がギヤ歯１ａの歯先面１ｃに対して直角に配置されており、、この実施形態では、Ｎ極側にホールＩＣ１１が配置されている。

回転角度検出センサ２にはセンサ引き出しコード２６が接続されている。センサ引き出しコード２６は、電源線、グラウンド線、信号線の３線により構成されており、回転角度算出装置１２に接続される。

ホールＩＣ１１の内部回路を、図２を参照して説明する。

ホールＩＣ１１は、ホール素子１１ａと、定電流素子１１ｂと、コンパレータ回路１１ｃと、電源端子１１ｄと、グラウンド端子１１ｅと、センサ出力端子１１ｆとを有する。

ホールＩＣ１１には、定電流素子１１ｂから一定の電流がホール素子１１ａに供給され、回転体１のギヤ歯１ａと永久磁石２２との間の磁束密度Ｂに比例したセンサ出力電圧Ｖｓがコンパレータ回路１１ｃに入力される。

コンパレータ回路１１ｃは、閾値電圧とセンサ出力電圧Ｖｓの比較を行い、その結果をコンパレータ出力電圧Ｖｏとして出力する。

図３にコンパレータ回路１１ｃの入出力特性を示す。

コンパレータ回路１１ｃの判定閾値電圧にヒステリシス（ＶＩＨ−ＶＩＬ）を持たせてある。

これにより、コンパレータ回路１１ｃの出力電圧ＶｏがローレベルＶＯＬのとき、コンパレータ回路１１ｃの入力電圧Ｖｓがハイレベル側の閾値ＶＩＨを越えると、コンパレータ回路１１ｃの出力ＶｏはハイレベルＶＯＨとなる。

これに対し、コンパレータ回路１１ｃの出力電圧ＶｏがハイレベルＶＯＨのとき、コンパレータ回路１１ｃの入力電圧Ｖｓがローレベル側の閾値ＶＩＬを下回ると、コンパレータ回路１１ｃの出力ＶｏはローレベルＶＯＬとなる。

回転角度算出装置１２の構成例を、図４を参照して説明する。回転角度算出装置１２は、ＭＰＵ１２ａと、ＭＰＵ１２ａおよび外部の回転角度検出センサ２に電力を供給する電源装置１２ｂと、電源端子１２ｃと、グラウンド端子１２ｄと、センサ入力端子１２ｅとを有する。

ＭＰＵ１２ａは、図示を省略しているが、内部に、入力レベル検出回路、タイマユニット、キャプチャユニット、演算器と、回転角度ＡＮＧ、回転数ＲＥＶ、回転方向ＤＩＲを、電圧信号または通信データとして出力するインターフェイスをと備えている。

ＭＰＵ１２ａの内部構成例を、図５を参照して説明する。ＭＰＵ１２ａはキャプチャユニット１２ｆと演算器１２ｇを有する。

キャプチャユニット１２ｆは、回転角度検出センサ２の出力電圧Ｖｏを判定してトリガ信号Ｓｔｒを出力する入力レベル検出回路１２ｉと、一定時間ごとにタイマ値Ｔｍを加算するタイマユニット１２ｈを接続され、トリガ信号Ｓｔｒの入力によってタイマ値Ｔｍを取り込み、これをキャプチャ値ＴＲあるいはＴＦをとして保持する。

演算器１２ｇは、キャプチャユニット１２ｆから出力されるキャプチャ値ＴＲあるいはＴＦを入力し、タイマユニット１２ｈ，キャプチャユニット１２ｆへ制御信号Ｓｃｃ、タイマユニット１２ｈへ制御信号Ｓｃｔを出力する。演算器１２ｇは、回転角度ＡＮＧ，回転数ＲＥＶ，回転方向ＤＩＲを算出して電圧信号または通信１２ｍによって出力する機能を備える。

つぎに、回転角度検出センサ２と回転体１のギヤ歯１ａの位置関係に対するホールＩＣ１１の磁束密度Ｂの関係を、図６（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。ここで、図中の符号Ｍは磁力線を簡易的に示したもので、便宜上永久磁石２２を出てから最初の磁性体に吸収されるまでを描いており、磁力線Ｍの密度が高いほど、磁束密度Ｂが高いことを表している。

図６（ａ）に示されているように、回転体１のギヤ歯１ａの谷部上に回転角度検出センサ２が位置しているとき、ホールＩＣ１１は永久磁石２２とギヤ歯１ａに挟まれない状態となるため、ホールＩＣ１１を通過する磁力線Ｍの密度は最も少なくなり、磁束密度Ｂが最小となる。

図６（ｂ）に示されているように、回転体１のギヤ歯１ａの回転方向に対して順方向の歯面１ｂ上に回転角度検出センサ２が位置しているとき、ホールＩＣ１１を挟んだ永久磁石２２とギヤ歯面１ｂの間隙が、図６（ａ）の場合よりも小さくなるため、ホールＩＣ１１を通過する磁力線Ｍの密度は図６（ａ）の位置と比較して少し大きくなり、磁束密度Ｂが中間の大きさとなる。

図６（ｃ）に示されているように、回転体１のギヤ歯１ａの歯先面１ｃ上に回転角度検出センサ２が位置しているとき、ホールＩＣ１１を挟んだ永久磁石２２とギヤ歯１ａの間隙が最小となり、ホールＩＣ１１を通過する磁力線Ｍの密度は最も大きくなるため、磁束密度Ｂが最大となる。

ここで、回転体１が順方向に回転した場合、つまり、図６の（ａ）→（ｂ）→（ｃ）の順に状態が変化した場合において、時間ｔに対するコンパレータ回路１１ｃの入力電圧Ｖｓと出力電圧Ｖｏの関係を図７に示す。

また、回転体１が逆方向に回転した場合、つまり図４の（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に状態が変化した場合において、時間ｔに対するコンパレータ回路１１ｃの入力電圧Ｖｓと出力電圧Ｖｏの関係を図８に示す。

ここで、コンパレータ回路１１ｃの出力電圧Ｖｏの立ち下がりから立ち上がりまでの時間をＴ１２とし、立ち上がりから立ち下がりまでの時間をＴ２３とすると、回転体１が回転しているときに回転角度検出センサ２に発生するパルス信号のデューティ比ＤＴは下記の式（１）のように表すことができる。

ＤＴ ＝ Ｔ２３／（Ｔ１２＋Ｔ２３） …（１）

ここで、回転体１が順方向に回転している場合には、図７に示されているように、Ｔ１２＞Ｔ２３となる。これに対し、回転体１が逆方向に回転している場合には、図８に示されているように、Ｔ１２＜Ｔ２３となる。このため、式（１）より、順方向に回転している場合のデューティ比ＤＴよりも、逆方向に回転している場合のデューティ比ＤＴの方が大きくなる。

これにより、回転体１の回転により発生するパルス信号のデューティ比ＤＴが、回転方向の違いにより変化することを検出して回転方向を特定することができ、装置のコスト上昇や複雑化を招くことなく、回転方向を的確に検出できる。

この発明による回転角度検出装置の他の実施形態を、図９を参照して説明する。

本実施形態では、回転体１の形状を、図９に示されているように、定義する。

回転体１は、外周３６０°のうち３４０°に回転角１０°相当のピッチでギヤ歯１ａを３４個備え、残りの外周２０°にはギヤ歯が存在しない。

回転体１が図９に示される位置から順方向に回転すると、回転角度検出センサ２の出力電圧Ｖｏが図１０に示すように変化する。

ここで、図１０中のａの部分におけるＭＰＵ１２ａの内部処理を、図１１を用いて説明する。

出力電圧ＶｏがローレベルＶＯＬからハイレベルＶＯＨに変化したとき、ＭＰＵ１２ａは、立ち上がりエッジを検出し、その瞬間のタイマ値Ｔｍをキャプチャ値ＴＲ２に格納する。その後、ＭＰＵ１２ａは、立ち上がりエッジを検出する度に最新のキャプチャ値をＴＲ２に格納し、１回前のキャプチャ値をＴＲ１とする。

同様に、出力電圧ＶｏがハイレベルＶＯＨからローレベルＶＯＬに変化したとき、ＭＰＵ１２ａは立ち下がりエッジを検出し、その瞬間のタイマ値Ｔｍをキャプチャ値ＴＦ２に格納する。その後、ＭＰＵ１２ａは、立ち下がりエッジを検出する度に最新のキャプチャ値をＴＦ２に格納し、１回前のキャプチャ値をＴＦ１とする。

キャプチャ値ＴＲ１，ＴＦ１，ＴＲ２，ＴＦ２のうち、連続する３つのキャプチャ値が入力されれば、式（１）を応用することにより、以下のようにデューティ比ＤＴの算出が可能になる。

ＤＴ ＝（ＴＦ１−ＴＲ１）／（ＴＲ２−ＴＲ１） …（２）
ＤＴ ＝（ＴＦ２−ＴＲ２）／（ＴＦ２−ＴＦ１） …（３）

以上のように算出したデューティ比ＤＴを、回転方向判定のために予め設定した閾値ＪＤＧＤＴと比較し、デューティ比ＤＴが閾値ＪＤＧＤＴ未満であれば、回転体１の回転方向が順方向であると判断でき、逆に、デューティ比ＤＴが閾値ＪＤＧＤＴ以上であれば、回転体１の回転方向が逆方向であると判断できる。

回転方向判断の結果、順方向であれば回転方向ＤＩＲに０を設定し、逆方向であれば回転方向ＤＩＲに１を設定することで、回転方向判定処理は完了となる。

回転数ＲＥＶの算出は、キャプチャ値ＴＲ１，ＴＲ２の２値またはＴＦ１，ＴＦ２の２値を用いて以下のように実施する。

ＲＥＶ ＝ ＫＲＥＶ／（ＴＲ２−ＴＲ１） …（４）
ＲＥＶ ＝ ＫＲＥＶ／（ＴＦ２−ＴＦ１） …（５）

上記の式（４）および式（５）で用いたＫＲＥＶは、回転数ＲＥＶを算出するために予め設定した定数である。キャプチャ値の単位を秒とし、回転数ＲＥＶの単位を１分間あたりの回転数と定義すると、定数ＫＲＥＶは６０／３６となる。

回転体１の絶対的な回転角度ＡＮＧは、回転体１の基準位置検出後に可能となる。この基準位置検出の方法について、図１２を用いて以下に説明する。

図１１に示すＰＦ１，ＰＦ２は、それぞれ図１０中のｂの部分における出力電圧Ｖｏの立ち下がりエッジ周期であり、ＭＰＵ１２ａは２回目以降の立ち下がりエッジ検出時に、回転数ＲＥＶ算出の際に用いたＴＦ２−ＴＦ１をエッジ周期ＰＦ２に設定する。

その後、ＭＰＵ１２ａは、立ち下がりエッジを検出する度に最新のエッジ周期をＰＦ２に格納し、１回前のエッジ周期をＰＦ１とする。

エッジ周期の算出が２回行われ、ＰＦ１およびＰＦ２に値が設定されれば、そのエッジ周期ＰＦ１とＰＦ２を用いて下記条件式（６）により基準位置の検出を行う。

（ＰＦ１−ＫＰ） ≦ （ＰＦ２／３） ≦ （ＰＦ１＋ＫＰ） …（６）

上記の条件式（６）が成立した場合、最新の立ち下がりエッジ検出タイミングが、回転体１のギヤ歯が存在しない２０°の直後のギヤ歯１ａにより発生したものであると判定し、このタイミングを基準位置とする。

条件式（６）は、１回前のエッジ周期ＰＦ１と最新のエッジ周期ＰＦ２を比較した際に、最新のエッジ周期ＰＦ２が１回前のエッジ周期ＰＦ１の約３倍になっていることを検出するもので、ＫＰは回転体１の角速度変動による周期の変動を許容するための補正値である。周期変動補正値ＫＰは、回転体１を含む回転系全体のイナーシャと、その回転系にかかる最大のトルクを考慮して設定する。

ここで、一例として、図１２に示されている状態での回転体１の絶対的な回転角度ＡＮＧを０°と定義すると、基準位置を検出したときの回転体１の回転角度ＡＮＧは６０°となる。

基準位置を検出した際、式（２）および式（３）によるデューティ比ＤＴの算出結果は正しくないため、回転方向の判定は行わず、回転方向ＤＩＲは前回値を保持する。

また、基準位置を算出した際、エッジ周期は通常の３倍になってしまうため、式（４）および式（５）による回転数ＲＥＶの算出結果は、この場合のみ３を乗じて回転数ＲＥＶの算出を補正する。

上記の条件式（６）が成立しない場合、回転体１の絶対角度の算出はできないため、回転方向ＤＩＲの判定が順方向であれば、それまでに算出した回転体１の回転角度ＡＮＧに１０°を加算し、回転方向ＤＩＲの判定が逆方向であれば、それまでに算出した回転体１の回転角度ＡＮＧから１０°を減算する。

ただし、加算の結果が３６０°に達した場合は回転体１の角度を０°とし、減算の結果が０を下回った場合は回転体１の角度を３５０°とする。

以上のように、ＭＰＵ１２ａによる出力電圧Ｖｏのエッジ検出タイミングを処理することにより、回転体１の回転方向ＤＩＲ，回転数ＲＥＶ，回転角度ＡＮＧの算出を可能とした。

つぎに、上述の実施形態による回転角度検出装置（回転体１と回転角度検出センサ２）、回転角度算出装置１２を、クランク角度検出−算出手段として有する内燃機関（エンジン）の構成例を、図１３を参照して説明する。

エンジン３は複数の気筒（図示せず）からなる。ピストン１０１ａとシリンダ１０１ｂにより構成された燃焼室１０１ｃに導入される空気は、エアクリーナ１０２の入口部１０２ａから取り入れられ、吸入空気量センサ（エアフローセンサ）２５を通り、吸入空気量を制御するスロットル弁１４０ａが収容されたスロットルボディ１４０を通ってコレクタ１０６に入る。スロットル弁１４０ａの開度はエンジン制御装置１３によって制御される。

コレクタ１０６に吸入された空気は、エンジン３の各燃焼室１０１ｃに接続された各吸気管１０７に分配された後、燃焼室１０１ｃに導かれる。また、エアフローセンサ２５からは吸入空気量を表す信号がエンジン制御装置１３に出力されている。さらに、スロットルボディ１４０にはスロットル弁１４０ａの開度を検出するスロットルセンサ２７が取り付けられており、その信号もエンジン制御装置１３に出力されるようになっている。

ガソリン等の燃料は、燃料タンク５０から燃料ポンプ５１により加圧されて燃料配管５７に吐出され、燃料フィルタ５８を通過した後、再度燃料配管５９を通ってインジェクタ５４から燃焼室１０１ｃに噴射される。燃焼室１０１ｃに噴射された燃料は、点火コイル１０８で高電圧化された点火信号により点火プラグ１０９によって点火される。

エンジン３のクランク軸１０１ｄには回転体１が取り付けられており、その周辺部に回転角度検出センサ２が固定配置されている。回転角度検出センサ２は、クランク軸１０１ｄの回転位置を表す信号をエンジン制御装置１３に出力する。

また、排気弁１２０のカム軸１００に取り付けられた回転体１１８とカム角センサ１１７は、カム軸１００の回転位置を表す角度信号をエンジン制御装置１３に出力する。

ここで、カム角センサ１１７は、本実施形態による回転方向の検出が可能な回転角度検出装置ではなく、公知の回転角度検出センサを用いることとする。

排気管２０９には、排気ガス中の酸素濃度を検出してその検出信号をエンジン制御装置１３に出力する空燃比センサ２０８、排気ガス浄化用触媒２１０等が設けられている。

次に、エンジン制御装置１３の構成とエンジン制御システムについて、図１４を用いて説明する。

エンジン制御装置１３の主要部は、ＭＰＵ２０３、ＥＰ−ＲＯＭ２０２、ＲＡＭ２０４及びＡ／Ｄ変換器を含むＩ／Ｏ−ＬＳＩ２０１等で構成される。

クランク軸１０１ｄの回転角度検出センサ２、カム角センサ１１７、機関冷却水温度を測定する水温センサ２８、吸気管内の圧力を測定する吸気管内圧センサ２９を含む各種のセンサ等からの信号を入力として取り込み、回転角度算出装置１２による回転角度算出と同等の演算処理を含む所定の演算処理を実行し、この演算結果として算定された各種の制御信号を出力し、アクチュエータである燃料ポンプ５１、インジェクタ５４および点火コイル１０８等に所定の制御信号を供給して燃料吐出量制御、燃料噴射量制御および点火時期制御等を実行するものである。

図１５は、エンジン３のカム軸１００に取り付けられた回転体１１８の形状と、カム角センサ１１７の位置関係を示している。カム角センサ１１７は回転角度検出センサ２と同様の特性を備えているとする。

４ストロークエンジンでは、エンジンの１サイクルはクランク軸で２回転であり、カム軸では１回転である。つまり、カム軸１００に取り付けられた回転体１１８が３６０°回転する間に、クランク軸１０１ｄに取り付けられた回転体１は７２０°回転する。

図９に示されている実施形態では、回転体１の角度検出範囲を３６０°とし、基準位置を検出したときの回転角度ＡＮＧを６０°と定義したが、本実施形態では、カム角センサの出力電圧Ｖｏｃを組み合わせることにより、図９に示されている実施形態の角度検出範囲を７２０°に拡張する。

回転体１の出力電圧のエッジ周期により基準位置を検出したとき、カム角センサ１１７の出力電圧ＶｏｃがＶＯＨならば、回転角度ＡＮＧを６０°とし、カム角センサ１１７の出力電圧ＶｏｃがＶＯＬならば回転角度ＡＮＧを４２０°とする。

よって、エンジン３が正方向に回転している場合の回転体１の回転角度検出センサ２と、カム角センサ１１７それぞれの出力電圧Ｖｏ，Ｖｏｃおよびクランクの回転角度ＡＮＧを図１６に示されているように定義できる。

本実施形態のエンジン３は、直列４気筒のエンジンとし、クランク軸１０１ｄの回転角と各気筒のサイクルの関係を図１７に示されているように定義する。

図１８は、エンジン３が停止するときのクランク軸１０１ｄの動作例を示したものであり、クランク軸１０１ｄが２８０°から３５０°まで正方向に回転し、その後、４番気筒の圧縮圧により押し戻されて逆方向に回転し、３１０°と３２０°の間で停止した場合を表している。

ここで、図１８中のａの場合、つまり正方向に回転しているときには、式（３）を用いて算出したデューティ比ＤＴがＪＤＧＤＴ未満であるため、正方向であると判定し、回転方向ＤＩＲは０となり、出力電圧Ｖｏの立ち下がりエッジのタイミングにて回転角度ＡＮＧを１０°ずつ加算している。

一方、図１８中のｂの場合、つまり逆方向に回転しているときには、式（３）を用いて算出したデューティ比ＤＴがＪＤＧＤＴ以上であるため、逆方向であると判定し、回転方向ＤＩＲは１となり、出力電圧Ｖｏの立ち上がりエッジのタイミングにて回転角度ＡＮＧを１０°ずつ減算している。結果、回転角度ＡＮＧを３２０°として算出し、正確にクランク軸１０１ｄの停止位置を検出する。

回転角度ＡＮＧが３２０°のとき、図１７より、２番気筒の吸気行程であることが分かるため、次回のエンジン始動時に即座に２番気筒に対して燃料噴射を実施することができ、クランキング開始から１回転以内で燃焼によるトルクを発生させることができる。

従来のクランク軸の正確な停止位置を検出できないシステムの場合には、エンジン始動毎にクランク軸の基準位置を検出してからクランク軸の角度算出を行うため、最大でクランク軸を１回転させないと特定の気筒に燃料を噴射することができない。

よって、燃焼によるトルクを発生させるためにはクランキング開始から最大で２回転待たねばならない。

それに対し、本実施形態の方が早く燃焼トルクを得ることができ、始動性能を向上することができる。

また、図１３に対し、インジェクタ５４の吐出口を燃焼室１０１ｃ内に設置し、燃料配管５９に図示しない高圧燃料ポンプを追加して、エンジン３を筒内噴射エンジンとした場合、回転角度ＡＮＧの算出によりクランク軸１０１ｄの停止位置が図１７で表される圧縮行程であると判定した気筒に、高圧燃料ポンプとインジェクタ５４を駆動して燃料を噴射し、点火コイル１０８を駆動して点火を実施すると、エンジン停止状態から燃焼トルクを発生させることができ、スタータによるクランキングを実施しなくてもエンジン３を始動させることができるようになる。

本発明の作用、効果を、要約すると、以下の通りである。
（１）回転体が回転したときにギヤ歯の形状により、磁気検出素子の磁束密度が変化することにより、磁気検出素子の信号出力電圧が変化する。その電圧をコンパレータ回路に入力し、閾値と比較することにより、入力電圧に応じてコンパレータ回路の出力レベルがハイレベルまたはローレベルに変化する。

ここで、コンパレータ回路の閾値はヒステリシスを持っており、コンパレータ回路の出力がハイレベルからローレベルに反転する際の閾値と、ローレベルからハイレベルになるための閾値に違いを持たせてある。

回転体のギヤ形状により磁気抵抗素子の磁束密度が増加するときの変化速度と減少するときの変化速度が異なるため、コンパレータ回路から出力されるパルス信号のデューティ比は、回転体の回転方向により異なった値となる。

コンパレータ回路の閾値にヒステリシスを持たせることは、ノイズ対策等で必要な条件となっており、実際には、特別な手段を加えなくとも既に採用されている技術であるため、この発明により、従来の技術に対して回転体のギヤ歯の形状を変更するのみで、装置のコスト上昇や複雑化を招くことなく、回転方向の検出が可能な回転体の回転角度検出装置を提供することができる。

（２）回転角度検出装置から出力されるパルス信号の立ち上がりおよび立ち下りのタイミングを計測し、その立ち上がりまたは立ち下がりの回数を計測することにより、回転体の回転角度を算出するとともに、立ち上がりから立ち下がりまでの時間と、立ち下りから立ち上がりまでの時間を用いてパルス信号のデューティ比を算出し、デューティ比の値により回転体の回転方向を的確に判定する。

（３）本発明による回転角度算出装置の機能を内燃機関の制御装置に含め、内燃機関のクランク軸に本発明の回転角度検出装置を取り付けることにより、内燃機関の制御装置はクランクの回転角度の算出と回転方向の判定が可能になる。

よって、内燃機関が逆方向に回転していることを検出して燃料噴射制御や点火時期制御が異常になることを防止できる。

また、クランクの回転角度とその回転方向が正確に検出できるため、内燃機関停止時の正確なクランク角度が算出可能となり、再始動時の気筒判別待ち時間を短縮し、再始動時間の短縮が実現できる。これは、アイドルストップを実施する内燃機関にとっては重要な性能向上となる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱することなく、設計において種々の変更ができるものである。

例えば、上述の実施形態では、エンジンを４ストロークエンジンとしているが、これはディーゼルエンジンにも適用できることは明らかである。

本発明による回転角度検出装置の一つの実施形態を示す構成図。 本実施形態の回転角度検出装置のホールＩＣの内部回路図。 コンパレータ回路の入出力特性図。 本発明による回転角度算出装置の一つの実施形態を示す構成図。 本発明による回転角度算出装置のＭＰＵの内部構成図。 （ａ）〜（ｃ）は回転体と回転角度検出センサの位置関係に対する磁束密度の関係を表す図。 正回転時のコンパレータ回路の入力電圧と出力電圧の関係を表す図。 逆回転時のコンパレータ回路の入力電圧と出力電圧の関係を表す図。 本発明による回転角度検出装置の他の実施形態を示す構成図。 回転角度検出センサの出力電圧の波形を表す図。 ＭＰＵの内部で実施される時間計測方法を表す図。 ＭＰＵの内部で実施される周期計測方法を表す図。 本発明によるエンジン制御装置の一つの実施形態を示す構成図。 エンジン制御装置の内部構成図。 本発明による回転角度検出装置の他の実施形態を示す構成図。 回転角度検出センサの波形と回転角度の相関を表す図。 クランク角に対する気筒ごとのサイクルを表す図。 エンジン停止時の回転角度ＡＮＧの算出処理を表す図。

符号の説明

１ 回転体
１ａ ギヤ歯
１ｂ 歯面
１ｃ 歯先面
１ｄ 歯面
２ 回転角度検出センサ
１１ ホールＩＣ
１１ａ ホール素子
１１ｂ 定電流素子
１１ｃ コンパレータ回路
１２ 回転角度算出装置
１３ エンジン制御装置
２１ ケース
２２ 永久磁石
２５ 吸入空気量センサ
２７ スロットルセンサ
２８ 水温センサ
２９ 吸気管内圧センサ
５０ 燃料タンク
５１ 燃料ポンプ
５４ インジェクタ
５７ 燃料配管（フィルタ上流）
５８ 燃料フィルタ
５９ 燃料配管（フィルタ下流）
１０１ａ ピストン
１０１ｂ シリンダ
１０１ｃ 燃焼室
１０１ｄ クランク軸
１０２ エアクリーナ
１０６ コレクタ
１０７ 吸気管
１０８ 点火コイル
１０９ 点火プラグ
１１７ カム角センサ
１１８ 回転体
１２０ 排気弁
１２１ 吸気バルブ
１４０ スロットルボディ
１４０ａ 電制スロットル弁
２０１ 入出力回路
２０２ ＥＰ−ＲＯＭ
２０３ ＭＰＵ
２０４ ＲＡＭ
２０８ 空燃比センサ
２０９ 排気管
２１０ 排気ガス浄化用触媒

Claims (4)

1. 外周に所定ピッチでギヤ歯を形成された軟磁性材料からなる回転体と、該回転体の前記ギヤ歯に対向して固定配置された永久磁石と、前記回転体と前記永久磁石との間に固定配置された磁気検出素子と、該磁気検出素子の信号出力電圧が判定閾値電圧との比較によってハイレベルであるかローレベルであるかを判定するコンパレータ回路とを備え、前記回転体の回転速度に応じた周波数のパルス信号を前記コンパレータ回路の出力端子に発生する回転角度検出装置であって、
   前記回転体の回転方向に対し前記ギヤ歯の順方向の歯面と逆方向の歯面とが互いに異なる角度になっており、前記コンパレータ回路の判定閾値電圧にヒステリシスを持たせたことを特徴とする回転角度検出装置。
2. 請求項１記載の回転角度検出装置よりのパルス信号を入力して当該のパルス信号デューティ比を演算する手段を有し、前記デューティ比により前記回転体の回転方向が順方向であるか逆方向であるかを判定することを特徴とする回転角度算出装置。
3. 請求項２に記載の回転角度算出装置を備えたことを特徴とする内燃機関の制御装置。
4. 外周に所定ピッチでギヤ歯を形成された回転角度検出用の回転体であって、当該回転体の回転方向に対し前記ギヤ歯の順方向の歯面と逆方向の歯面とが互いに異なる角度になっていることを特徴とする回転体。

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