JP2008309067A - 内燃機関のカム角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】内燃機関におけるカム軸の角度を、より正確に検出できる技術を提供する。
【解決手段】センサユニット１の出力信号をローパスフィルタ２に入力してノイズ除去し、さらに複数の閾値と比較してパルスを出力するコンパレータ３に入力し、コンパレータ３から発生するパルスの数からカム軸の角度を検出する。また、コンパレータ３における閾値数よりも少ない数の第２閾値を有する第２コンパレータ４を備え、回転数が基準回転数未満の場合は、センサユニット１の出力信号がローパスフィルタ２及びコンパレータ３に入力された結果コンパレータ３から出力されたパルスの数からカム軸の角度を検出する。一方、回転数が基準回転数以上の場合には、センサユニット１の出力信号がローパスフィルタ２を介さずに第２コンパレータ４に入力された結果第２コンパレータ４から出力されたパルスの数からカム軸の角度を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は内燃機関の吸気弁または排気弁を駆動するためのカム軸の軸回りの角度を検出するカム角度検出装置に関する。

近年の内燃機関においては、吸排気弁の開閉弁タイミングの精度良い制御が必要とされている。従って、吸排気弁の開閉弁タイミングを決定する要因であるカム軸の位相制御をより正確に行うことが要求され、同時にカム軸の角度の検出精度を向上することが要求されている。

これに関連して、内燃機関においてカム軸と同様に回転する回転体の軸回りの角度を高精度で検出する技術の例として以下のものが挙げられる。この技術では、クランク軸の回転角度に応じて出力されるアナログ信号を所定の基準値と比較してパルス信号を発生して基準の角度信号として検出し、一方、前記アナログ信号をデジタル化し、得られたデジタル信号を複数の閾値と比較して、その比較結果に基づいて前記基準の角度信号を補完する角度信号を得ている（例えば、特許文献１参照。）。

上記の従来技術では、回転体の軸回りの角度に応じて出力されるパルス信号の生成間隔を狭くすることができ、より高い分解能をもって回転体の軸回りの角度を検出することが可能となる。しかしながら、通常は、アナログ信号にはノイズが混在しており、前記アナログ信号をデジタル化して閾値と比較したとしても、誤パルスが発生する虞があり、回転体の軸回りの角度の検出精度を充分に高めることが困難な場合があった。
特開２００６−１１３０２３号公報 特開平０７−２２９４１０号公報 特開平０９−１７０４８２号公報 特開２００２−１６１７９４号公報 特開２００３−２２２０４７号公報 特許第２５５９８８５号公報

本発明の目的とするところは、内燃機関において吸気弁または排気弁を駆動するためのカム軸の軸回りの角度を、より正確に検出可能とする技術を提供することである。

上記目的を達成するための本発明は以下の点を最大の特徴とする。すなわち、カム軸の軸回りの角度に応じてセンサ装置が出力した周期的な出力信号をフィルタに入力してノイズ成分を除去し、ノイズ成分の除去後の前記出力信号を、該出力信号と複数の閾値とを比較して該出力信号が閾値に達した際にパルス信号を出力するコンパレータに入力する。そして、該コンパレータから発生するパルス信号を計数することによりカム軸の軸回りの角度を検出する。

より詳しくは、内燃機関の吸気弁または排気弁を駆動するカム軸の軸回りの角度に応じて周期的に変化する信号を出力するセンサ装置と、
前記センサ装置からの出力信号と複数の閾値とを比較して、前記出力信号が変化して前記閾値の各々に達した際に、パルス信号を発生するコンパレータと、
前記コンパレータに入力される信号のノイズ成分を除去するフィルタと、
前記コンパレータからのパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出する角度導出手段と、
を備えることを特徴とする。

ここで、カム軸の軸回りの角度を検出する際に、当該角度に応じて周期的に変化する信号を出力するセンサ装置が用いられることが多い。この場合、センサ装置からの出力信号を、該出力信号と複数の閾値とを比較し、該出力信号が各々の閾値に達した際にパルス信号を発生するコンパレータに入力し、このパルス信号を計数することでカム軸の軸回りの角度を検出する。これにより、カム軸の軸回りの角度検出に係る分解能を高めることができる。

しかし、センサ装置からの実際の出力信号にはノイズ成分が含まれているため、コンパレータにおいて該出力信号と比較される閾値の数が多いほど、ノイズ成分によって出力信号が閾値を横切ってしまい誤パルス信号が発生する危険性が大きくなっていた。このため、コンパレータにおける閾値の数を充分に多くすることができず、カム軸の軸回りの角度を充分高い分解能で検出することが困難となる場合があった。

これに対し、本発明においては、センサ装置からの出力信号のノイズ成分を、フィルタで除去した後にコンパレータに入力することとした。これにより、誤パルスの発生を可及的に少なくすることができ、コンパレータにおける閾値の数も充分に多くすることができる。これにより、カム軸の軸回りの角度をより高い分解能で精度良く検出することができる。

また、本発明においては、前記センサ装置から出力され前記フィルタによりノイズ成分が除去される前の出力信号と前記コンパレータにおける閾値の数より少ない数の第２閾値とを比較して、前記ノイズ成分が除去される前の出力信号が変化して前記第２閾値の各々に達した際に、パルス信号を発生する第２コンパレータと、
前記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
をさらに備え、
前記角度導出手段は、前記回転数検出手段によって検出された機関回転数が基準回転数未満の場合には、前記コンパレータから出力されたパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出し、前記機関回転数が前記基準回転数以上の場合には、前記第２コンパレータから出力されたパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出するようにしてもよい。

すなわち、この場合は、上記の最大の特徴点に加えて以下の点を最大の特徴とする。本発明においては、コンパレータの他に、コンパレータにおける閾値の数よりも少ない数の第２閾値が設定された第２コンパレータを備える。そして、内燃機関の機関回転数が基準回転数未満の場合には、センサ装置の出力信号がフィルタ及びコンパレータに入力された結果としてコンパレータから出力されたパルス信号を計数してカム軸の軸回りの角度を検出する。一方、機関回転数が前記基準回転数以上の場合には、センサ装置の出力信号がフィルタを介さずに第２コンパレータに入力された結果として第２コンパレータから出力されたパルス信号を計数してカム軸の軸回りの角度を検出する。

ここで、カム軸の軸回りの角度に応じてセンサ装置から出力される出力信号がフィルタ及びコンパレータに入力されるようにした場合には、前述のようにノイズ成分による誤パルスの発生は抑制される一方、フィルタ通過による信号の位相遅れが問題となる場合がある。しかし、本発明においては、内燃機関の機関回転数が基準回転数未満の低回転数である場合に限って、センサ装置からの出力信号をフィルタ及びコンパレータに通過させるので、センサ装置からの出力信号自体の周波数も低く、フィルタによる位相遅れの影響を最
小限に抑制することができる。

一方、本発明においては、内燃機関の機関回転数が基準回転数以上の高回転数の場合には、センサ装置からの出力信号は第２コンパレータに入力される。この場合はセンサ装置からの出力信号の周波数も高くなるがが、当該出力信号がフィルタに入力されないため、フィルタによる信号の位相遅れが問題になることがない。

また、この場合には、センサ装置からの出力信号が第２コンパレータにおいて、コンパレータにおけるより少ない数の閾値と比較される。そうすると、第２コンパレータから出力されるパルス信号の間隔が長くなり、角度の検出精度が低下することが懸念される。しかし、本発明においては、内燃機関の機関回転数が基準回転数以上の高回転数の場合に限って第２コンパレータに出力信号が入力されるので、パルス信号の間隔をある程度以上短い状態で維持することが可能となり、角度の検出精度の低下を抑制することができる。さらに、この場合は、センサ装置からの出力信号と比較される閾値の数が比較的少ないので、ノイズに起因する誤パルスの発生も抑制することができる。

このように、本発明においては、内燃機関の機関回転数に応じてフィルタ及びコンパレータと、第２コンパレータとを使い分けることで、フィルタにおける信号の位相遅れ、コンパレータにおけるノイズによる誤パルスの発生、及び、第２コンパレータにおける出力パルス間隔の長期化の不都合を、全てバランスよく抑制することが可能となる。

なお、上記の機関回転数において基準回転数とは、まず、第２閾値の数との関係において、機関回転数がこれ以上の場合には、第２コンパレータにおいて発生するパルス信号の間隔が充分に短く、カム軸の軸回りの角度の検出精度を充分に高くできると判断される機関回転数の値である。また同時に、フィルタにおける信号の遅れとの関係において、機関回転数がこれ未満の場合には、フィルタに入力される信号の周波数が充分に低く、フィルタにおける信号の遅れの影響が問題にならないと判断される機関回転数の値である。すなわち基準回転数とは、これらの２つの条件を両立可能な機関回転数の値であり、予め実験的に求められる。

本発明にあっては、内燃機関において吸気弁または排気弁を駆動するためのカム軸の軸回りの角度を、より正確に検出することができる。

以下に図面を参照して、この発明を実施するための最良の形態を例示的に詳しく説明する。

まず、従来のカム角度検出装置について図３〜図６を用いて説明する。図３には、内燃機関の吸気弁及び排気弁を開閉するためのカム軸１０及び、その軸回りの角度を検出するためのカム角度検出装置３０の概略構成について示す。図に示すように、本カム角度検出装置３０においては、センサ装置としてのカムポジションセンサユニット１（以下、センサユニット１と略す。）が、センサ素子１ａがカム軸１０の後端部１０ａに対向するように設けられている。本従来例におけるセンサ素子１ａはホール素子により構成されており、センサユニット１の出力部１ｂからは、センサ素子１ａ近傍の磁界強度に比例したアナログ信号が出力される。一方、カム軸１０の後端部１０ａには軸回りの所定角度間隔（例えば１２０度間隔でもよい）で磁界の発生源としての図示しない磁石が設けられている。

すなわち、カム軸１０が軸回りに回転して、後端部１０ａに設けられた磁石がセンサ素
子１ａに近づくにつれてセンサユニット１からの出力信号が増加し、磁石が遠ざかると出力信号が減少する。

そうすると、例えば磁石が後端部１０ａに１２０度間隔で設けられている場合には、センサユニット１から出力される信号はカム軸１０が１回転する間に３回の増減を繰り返す周期的な信号となる。そして、センサユニット１の出力信号は、コンパレータ回路２０に入力される。このコンパレータ回路２０では、センサユニット１からの出力信号と、予め定められた単一の基準値とが比較され、センサユニット１からの周期的な出力信号が基準値を横切る（基準値に達する）毎にパルス信号が出力される。そして、図示しないＥＣＵ内に設けられたパルス計数器２５においてコンパレータ回路２０から出力されるパルス数が計数されてカム軸１０の角度が検出される。ここで図示しないＥＣＵは本実施例において角度導出手段に相当する。

しかし、上述のようにコンパレータ回路２０においてセンサユニット１からの出力信号と比較する基準値の数を１つに設定した場合には、特に内燃機関の機関回転数が低回転数の場合に、図４に示すように、コンパレータ回路２０から出力されるパルス信号のパルス間隔が長くなってしまい、カム軸１０の角度の検出精度が低下するおそれがあった。

また、このような不都合を解消するために、図５に示すようにコンパレータ回路２０においてセンサユニット１からの出力信号と比較する基準値の数を増加させることにより、内燃機関の機関回転数が低回転数の場合でも、コンパレータ回路２０から出力されるパルス信号のパルス間隔をある程度短くすることができ、カム軸１０の角度の検出精度を高精度に維持することが可能である。

しかし、センサユニット１からの実際の出力信号にはノイズが混入している。そうすると、コンパレータ回路２０においてセンサユニット１からの出力信号と比較する基準値の数を増加させた場合には、図６に示すように、誤パルスの発生数が増加してしまい、逆にカム軸１０の角度の検出精度が低下してしまう場合があった。

次に、図１〜図２を用いて本発明におけるカム角度検出装置８の実施例について説明する。本実施例においては図１に示すように、センサユニット１からの出力信号をまずローパスフィルタ２に入力し、ローパスフィルタ２において前記出力信号のノイズ成分を除去し、その上で、複数の基準値が設定された閾値を準備したコンパレータ３に入力してパルス信号を発生させることとした。

これによれば、センサユニット１からの出力信号と複数の基準値とを比較するコンパレータ３を用いてパルス信号を発生させる際に、ノイズを除去できるので、コンパレータ３における誤パルスの発生を抑制することができる。また、内燃機関の機関回転数が低回転数の場合でも、コンパレータ３において発生されるパルス信号のパルス間隔を短くすることができるという、複数の基準値が設定された従来のコンパレータ回路２０における利点はそのまま踏襲することができる。従って、これらの相乗効果により、本実施例のカム角度検出装置８では、カム軸１０の角度の検出精度を大幅に向上させることができる。

なお、上記のように、センサユニット１からの出力信号を、ローパスフィルタ２に入力してノイズ成分を除去する場合、ローパスフィルタ２の構成によっては信号の遅れが生じる場合がある。特に内燃機関の機関回転数が高回転数の場合には、ローパスフィルタ２における信号の遅れによってコンパレータ３からのパルス信号の出力位相が遅れてしまい、カム軸１０の角度の検出精度が低下するおそれがある。

次に、図２を用いて、この点を考慮した場合の本実施例の別の態様について説明する。
本態様に係るカム角度検出装置９においては、入力信号と比較するための複数の基準値が設定されたコンパレータ３の他、単一の基準値が設定された第２コンパレータ４が備えられている。そしてセンサユニット１は、図１で説明したカム角度検出装置８と同様、コンパレータ３とはローパスフィルタ２を介して電気的に接続されている。また、第２コンパレータ４とも並列に接続されている。

コンパレータ３の出力端及び、第２コンパレータ４の出力端は、アナログスイッチ７の２つの入力端に電気的に接続されている。このアナログスイッチ７内部では、コンパレータ３または第２コンパレータ４のいずれかからの入力を後述する所定の条件に応じて選択してアナログスイッチ７の出力端に接続することが可能になっている。すなわち、後述の条件に応じてアナログスイッチ７からの出力信号を、コンパレータ３からの出力パルス信号と、第２コンパレータ４からの出力パルス信号の間で切換えることが可能になっている。

また、アナログスイッチ７には、内燃機関の回転数検出装置５及び内燃機関の回転数比較器６が接続されている。この内燃機関の回転数検出装置５は、図示しないクランクポジションセンサからの出力信号に基づいて内燃機関の機関回転数に応じた出力信号を出力するもので、本実施例において回転数検出手段に相当する。回転数比較器６においては、予め定められた基準回転数に相当する信号と、回転数検出装置５からの出力信号とを比較し、回転数検出装置５によって検出された内燃機関の機関回転数が基準回転数以上と判断できる場合にはＯＮ信号を出力する。一方、回転数検出装置５により検出された内燃機関の機関回転数が基準回転数未満と判断できる場合にはＯＦＦ信号を出力する。

アナログスイッチ７においては、回転数比較器６からＯＮ信号が入力された場合には、アナログスイッチ７の内部において、第２コンパレータ４側の入力端と出力端とが接続され、アナログスイッチ７からは、第２コンパレータ４からの出力パルス信号が出力され、パルス計数器２５に入力される。一方、回転数比較器６からＯＦＦ信号が入力された場合には、アナログスイッチ７の内部において、コンパレータ３側の入力端と出力端とが接続され、アナログスイッチ７からは、コンパレータ３からの出力パルス信号が出力され、パルス計数器２５に入力される。

次に、本態様におけるカム角度検出装置９の作用について説明する。まず、内燃機関の機関回転数が基準回転数以上の場合には、コンパレータ３でなく第２コンパレータ４からの出力パルス信号によってカム軸１０の角度が検出される。この場合の出力パルス信号はローパスフィルタ２を通過していないので遅れがない。従って、機関回転数が高回転数の場合に、ローパスフィルタ２における信号の遅れの影響で角度の検出精度が低下することがない。但し、その代わりに第２コンパレータ４に入力される信号にノイズが含まれる場合があるが、第２コンパレータ４では、基準値は一つしか設定されていないので、入力信号にノイズが含まれていたとしても誤パルスの発生頻度が抑制される。

さらに、この場合は、機関回転数自体が高回転数であるので、単一の基準値しか備えていない第２コンパレータ４を使用した場合でも、出力パルス信号のパルス間隔を短くすることができ、この点においてもカム軸１０の角度の検出精度を高精度に維持することができる。

一方、内燃機関の機関回転数が基準回転数未満の場合には、本態様においてもコンパレータ３からの出力パルス信号によってカム軸１０の角度が検出される。この場合には、コンパレータ３に入力される信号はローパスフィルタ２を通過しているので、ノイズが除去されて誤パルスの発生が抑制されている。また、この場合はローパスフィルタ２における信号の遅れが生じるおそれがあるが、機関回転数自体が低回転数であり、ローパスフィル
タ２を通過する信号の周波数が比較的低いので、信号の遅れの影響が大きくなることを抑制できる。

このように、カム角度検出装置９によれば、機関回転数に応じて、ローパスフィルタ２と、複数の基準値が設定されたコンパレータ３と、単一の基準値が設定された第２コンパレータ４とを適宜組み合わせて用いることにより、カム軸１０の角度の検出精度を常に高精度に維持することが可能となる。

なお、コンパレータ３において複数設定された基準値は、本実施例において複数の閾値に相当する。第２コンパレータ４において設定された単一の基準値は、本実施例において第２閾値に相当する。上記の実施例においては、第２閾値が１つ設定されている例について説明したが、第２閾値として第２コンパレータにおいて設定された基準値の数は、コンパレータ３において設定された基準値の数より少なければよく、１つであることに限定されない。

また、上記の実施例では、フィルタとしてローパスフィルタ２が使用された例について説明したが、フィルタとして他の種類のフィルタを用いてもよいことはもちろんである。例えば、バターワースフィルタ、カルマンフィルタ、平均値フィルタなどを適宜使用しても構わない。

また、上記の実施例ではセンサユニット１におけるセンサ素子１ａとしてホール素子を用いた例について説明したが、センサ素子１ａについてもこれに限られるものではない。例えば、光電センサ、静電容量センサ、磁気抵抗素子、機械的スイッチなどを適宜利用することが可能である。

また、上記のローパスフィルタ２、コンパレータ３、第２コンパレータ４は、ハード的に電気素子を組み合わせて実現してもよいし、ＥＣＵ内におけるソフト的な処理によって実現してもよい。

本発明の実施例に係るカム角度検出装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の実施例に係るカム角度検出装置の概略構成の別の態様を示すブロック図である。 従来のカム角度検出装置のシステム全体を示す概略図である。 コンパレータ内で、センサユニットからの出力信号と単一の基準値とが比較される場合の比較信号の態様と出力パルス信号を示すグラフである。 コンパレータ内で、センサユニットからの出力信号と複数の基準値とが比較される場合の比較信号の態様と出力パルス信号を示すグラフである。 コンパレータ内で、センサユニットからのノイズを含んだ出力信号と複数の基準値とが比較される場合の比較信号の態様と出力パルス信号を示すグラフである。

符号の説明

１・・・センサユニット
１ａ・・・センサ素子
１ｂ・・・出力部
２・・・ローパスフィルタ
３・・・コンパレータ
４・・・第２コンパレータ
５・・・回転数検出装置
６・・・回転数比較器
７・・・アナログスイッチ
８、９、３０・・・カム角度検出装置
１０・・・カム軸
１０ａ・・・後端部
２０・・・コンパレータ回路
２５・・・パルス計数器

Claims (2)

1. 内燃機関の吸気弁または排気弁を駆動するカム軸の軸回りの角度に応じて周期的に変化する信号を出力するセンサ装置と、
   前記センサ装置からの出力信号と複数の閾値とを比較して、前記出力信号が変化して前記閾値の各々に達した際に、パルス信号を発生するコンパレータと、
   前記コンパレータに入力される信号のノイズ成分を除去するフィルタと、
   前記コンパレータからのパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出する角度導出手段と、
   を備えることを特徴とする内燃機関のカム角度検出装置。
2. 前記センサ装置から出力され前記フィルタによりノイズ成分が除去される前の出力信号と前記コンパレータにおける閾値の数より少ない数の第２閾値とを比較して、前記ノイズ成分が除去される前の出力信号が変化して前記第２閾値の各々に達した際に、パルス信号を発生する第２コンパレータと、
   前記内燃機関の機関回転数を検出する回転数検出手段と、
   をさらに備え、
   前記角度導出手段は、前記回転数検出手段によって検出された機関回転数が基準回転数未満の場合には、前記コンパレータから出力されたパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出し、前記機関回転数が前記基準回転数以上の場合には、前記第２コンパレータから出力されたパルス信号を計数して前記カム軸の軸回りの角度を導出することを特徴とする請求項１に記載の内燃機関のカム角度検出装置。
   

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