JP2016079888A - 角度導出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】エンジン回転数の高低に拘わらず、クランクシャフト等の回転軸の回転角度を正確に導出する。
【解決手段】角度導出装置は、車両の駆動に関する回転軸と、回転軸と一体的に回転し、径方向に突出する複数の突出部が周方向に離隔して配されたシグナルプレートと、突出部に対向する位置に配された磁気センサと、磁気センサの検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する信号変換部と、離散情報から回転軸の回転角度を導出する角度導出部と、を備え、車両のエンジンが始動され、回転軸の角速度が第１角速度になると、閾値の絶対値を大きくすることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、車両の駆動に関する回転軸の回転角度を導出する角度導出装置に関する。

エンジンのクランク角は、例えば、クランクシャフトと一体的に回転するシグナルプレートに配された複数の突出部と磁気センサとの磁路の状態（位置関係）の変化に基づいて導出される。

また、このようなクランク角の検出手段として、シグナルプレートの外周部に、突起が欠けた欠歯部を設け、突起毎の信号間の時間比と、時間比の微分値とを所定の閾値と比較して欠歯部を検出する技術が知られている（例えば、特許文献１）。また、クランクシャフトが２回転する間に発生するクランク角パルスと、クランクシャフトが１回転する間に発生するクランク角パルスとを識別し、識別されたクランク角パルスを用いて点火信号を発生させる技術も知られている（例えば、特許文献２）。さらに、クランク角センサからパルス信号が出力されるタイミングにおける筒内圧に基づき、先のタイミングのクランク角を特定する技術も開示されている（例えば、特許文献３）。

特開２０１２−１６７５５４号公報 特開２００５−０５４６３５号公報 特開２００７−２９１９５５号公報

エンジンのクランキングでは、スタータによりクランクシャフトが回転することとなるので、トルクコンバータにドライブプレートを介して固定されたシグナルプレートの突出部と磁気センサとの間のギャップが変化する場合がある。磁気センサは、突出部の有無によって検出信号を形成するが、このようなギャップによっても、その推移が変動してしまう。そして、その変動の周波数によってはクランク角が変化したと誤って検出してしまうことがある。

しかし、このような誤検出を回避すべく、検出信号を判定する閾値を単純に大きくすると、エンジン回転数が低いときの電圧変動が閾値を跨がなくなり、本来のクランク角を検出できないといった問題があった。

本発明は、このような課題に鑑み、エンジン回転数の高低に拘わらず、クランクシャフト等の回転軸の回転角度を正確に導出することが可能な角度導出装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明の角度導出装置は、車両の駆動に関する回転軸と、回転軸と一体的に回転し、径方向に突出する複数の突出部が周方向に離隔して配されたシグナルプレートと、突出部に対向する位置に配された磁気センサと、磁気センサの検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する信号変換部と、離散情報から回転軸の回転角度を導出する角度導出部と、を備え、車両のエンジンが始動され、回転軸の角速度が第１角速度になると、閾値の絶対値を大きくすることを特徴とする。

車両のエンジンが始動され、閾値の絶対値を大きくした後、回転軸の角速度が第１角速度より高い第２角速度になると、該閾値の絶対値を小さくしてもよい。

上記課題を解決するために本発明の他の角度導出装置は、車両の駆動に関する回転軸と、回転軸と一体的に回転し、径方向に突出する複数の突出部が周方向に離隔して配されたシグナルプレートと、突出部に対向する位置に配された磁気センサと、磁気センサの検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する信号変換部と、離散情報から回転軸の回転角度を導出する角度導出部と、を備え、車両のエンジンが始動され、回転軸の角速度が第２角速度になると、閾値の絶対値を小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、エンジン回転数の高低に拘わらず、クランクシャフト等の回転軸の回転角度を正確に導出することが可能となる。

角度導出装置の構成を説明するための説明図である。 クランクシャフトの回転角度を導出する概念を説明するための説明図である。 信号変換部および角度導出部の動作を説明するための説明図である。 クランキングにおける回転角度の導出結果を示した説明図である。 閾値の変化を説明するための説明図である。 角速度と閾値との関係を示した説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（角度導出装置１０）
図１は、角度導出装置１０の構成を説明するための説明図である。角度導出装置１０は、クランクシャフト１２と、トルクコンバータ１４と、シグナルプレート１６と、ドライブプレート１８と、磁気センサ２０と、エンジン制御ユニット２２と、スタータ２４とを含んで構成される。クランクシャフト１２は、エンジン（内燃機関）におけるピストンの往復運動を回転力に変換する回転軸であり、その回転力は、トルクコンバータ１４や変速機構（図示せず）を介して各駆動輪に伝達される。

また、クランクシャフト１２には、そのクランクシャフト１２の回転角度を導出するためのシグナルプレート１６も設けられる。シグナルプレート１６は、ドライブプレート１８を介してトルクコンバータ１４にも固定され、クランクシャフト１２やトルクコンバータ１４と一体的に回転する。

また、シグナルプレート１６の外周には、複数の突出部１６ａが配されており、その突出部１６ａと対向する位置（突出部１６ａと磁路を形成可能な位置）に磁気センサ２０が設けられている。磁気センサ２０は、例えば、磁気ピックアップで構成され、突出部１６ａと磁気ピックアップのマグネットとからなる磁路の状態の変化に基づいて突出部１６ａの有無を検出する。

図２は、クランクシャフト１２の回転角度を導出する概念を説明するための説明図であり、図２（ａ）は、図１の矢印Ａから見たシグナルプレート１６の矢視図、図２（ｂ）は、磁気センサ２０の検出信号（電圧変動）が示されている。図２（ａ）に示すように、シグナルプレート１６の外周には、径方向に突出している複数の突出部１６ａが、それぞれ周方向に離隔して配されている。このような突出部１６ａ同士は、例えば、回転角度にして１０°ずつ離隔し、規則的に並べられている。

したがって、クランクシャフト１２が等速で回転している場合、磁気センサ２０の検出信号として、図２（ｂ）に示すように、突出部１６ａが磁気センサ２０と対向する度、すなわち、１０°回転する度に規則的な波形を得ることができる。

ただし、シグナルプレート１６には、図２（ａ）に示すように、外周の一部に突出部１６ａ同士の間隔が、例えば、回転角度にして３０°離隔している領域αがある。磁気センサ２０が、かかる領域αを跨ぐ場合、図２（ｂ）の領域βに示すように、ピーク値を得る時間間隔が上記１０°の場合より長く（ここでは３倍に）なる。ここでは、かかる時間間隔の違いによって、１０°と３０°とを識別する。また、このような領域βを基準としてクランクシャフト１２の絶対回転角度を導出することが可能となる。

図１に戻り、磁気センサ２０の検出信号は、エンジン制御ユニット２２における信号変換部２２ａに送信され、信号変換部２２ａは、磁気センサ２０の検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する。そして、角度導出部２２ｂは、離散情報からクランクシャフト１２の回転角度を導出する。

図３は、信号変換部２２ａおよび角度導出部２２ｂの動作を説明するための説明図である。例えば、磁気センサ２０から図３（ａ）に示すような検出信号が入力されると、信号変換部２２ａは、検出信号を所定の閾値である第１閾値（上基準値、例えば１００ｍＶ）および第２閾値（下基準値、例えば０ｍＶ）と比較して離散情報を生成する。すなわち、離散情報が「０」のとき、検出信号が第１閾値以上になると、離散情報を「１」に切り換え、第１閾値以上となった後に検出信号が第２閾値未満になると、離散情報を「０」に切り換える（ヒステリシス特性）。こうして、図３（ｂ）のように、検出信号の波形を整形した離散情報が形成される。

また、角度導出部２２ｂは、図３（ｂ）の離散情報が「０」から「１」に切り換わる度に、回転角度を１０°ずつ積算し、図３（ｃ）のように、その合計をクランクシャフト１２の回転角度としている。ただし、角度導出部２２ｂは、回転角度が１０°進むのに費やす時間を計時し、その時間が、図３（ｂ）の領域γに示すように、直前の時間の約３倍となる場合、回転角度が３０°進んだと判断する。また、角度導出部２２ｂは、このような３０°進む領域γを基準として、クランクシャフト１２の絶対回転角度を導出する。

なお、上記信号変換部２２ａは、比較器等によって磁気センサ２０の検出信号と第１閾値および第２閾値とを比較し、電気信号として離散情報を生成するが、検出信号をＡ／Ｄコンバータ等でデジタル信号に変換し、そのデジタル信号を第１閾値および第２閾値と比較して離散情報を生成するとしてもよい。また、角度導出部２２ｂは、エンジン制御ユニット２２を構成する、中央処理装置（ＣＰＵ）、プログラム等が格納されたＲＯＭ、ワークエリアとしてのＲＡＭが協働して機能する機能部であるが、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の集積回路によって実現してもよい。

このように、角度導出装置１０では、クランクシャフト１２の回転角度を導出し、エンジンの点火タイミングや燃料噴射タイミングを制御している。

図１の説明に戻ると、エンジンのクランキングにおいては、エンジンが動作する状態までクランクシャフト１２の回転数を高めるスタータ２４が設けられている。スタータ２４は、トルクコンバータ１４の外周に設けられたリングギア１４ａを通じてトルクコンバータ１４を回動することで、クランクシャフト１２の回転数を高める。

このとき、図１を用いて説明したように、シグナルプレート１６は、ドライブプレート１８を介してトルクコンバータ１４に固定され、クランクシャフト１２やトルクコンバータ１４と一体的に回転している。したがって、エンジンのクランキングにおいて、スタータ２４によりトルクコンバータ１４やクランクシャフト１２が回転することとなるので、それに固定されたシグナルプレート１６の突出部１６ａと磁気センサ２０との間のギャップが変化する場合がある。

図４は、クランキングにおける回転角度の導出結果を示した説明図である。ここでは、仮に、突出部１６ａ間が３０°の領域において、突出部１６ａと磁気センサ２０との間のギャップが変化したとする。磁気センサ２０は、突出部１６ａの有無によって検出信号を形成するが、このようなギャップによっても、図４（ａ）のように、その推移が変動してしまう。そして、その変動の周波数によっては、検出信号が第１閾値以上となり、図４（ｂ）に破線で示したように、回転角度が変化したと誤って検出され、図４（ｃ）に破線で示したように、誤った回転角度が導き出されてしまうことがある。

しかし、このような誤検出を回避すべく、検出信号を判定する閾値（第１閾値）を単純に大きくすると、エンジン回転数が低い場合に、本来１０°進んでいると把握すべき検出信号が第１閾値以上とならず、実際に回転しているクランクシャフト１２の回転角度を検出できない場合がある。そこで、本実施形態では、車両のエンジンの回転状態、すなわち、クランクシャフト１２の角速度に応じて、閾値の絶対値（ここでは第１閾値）を変化させる。

図５は、閾値の変化を説明するための説明図である。エンジンを始動すると（エンジンストール状態）、第１閾値として上基準値（例えば１００ｍＶ）を設定する（１）。エンジンの始動時は、エンジン回転数が低いので、検出信号も小さくなる。ここでは、クランキング時のギャップによる電圧変動が生じている可能性があるものの、本来のクランクシャフト１２の回転角度を検出することを優先して第１閾値を上基準値としている。

エンジンを始動した後、クランクシャフト１２の角速度が、例えば第１角速度になると、第１閾値を、上基準値（例えば１００ｍＶ）から、上基準値より大きい上変更値（例えば５００ｍＶ）に切り換える（２）。こうして、クランキング時のギャップによって電圧変動が生じたとしても、回転角度が変化したと誤検出することがなくなる。また、クランクシャフト１２の角速度が第１角速度になると、本来のクランクシャフト１２の回転に基づく検出信号も大きくなっており、上変更値以上となるので、本来のクランクシャフト１２の回転角度を確実に検出することができる。

また、クランクシャフト１２の角速度がさらに高まり、例えば第２角速度になると、第１閾値を上変更値から上基準値に切り換える（３）。クランクシャフト１２の角速度が第２角速度になるころには、クランキングも終了しており、クランキング時のギャップによる電圧変動を考慮する必要がない。したがって、第１閾値を上基準値に戻してクランクシャフト１２の回転角度を確実に検出する。

このように、一旦、クランクシャフト１２の角速度が第２角速度になると、最早、クランキングは生じないので、以後、クランクシャフト１２の角速度が低くなったとしても、第１閾値は上基準値を維持する（４）。また、エンジンを始動した後、クランクシャフト１２の角速度が、例えば、第１角速度以上ではあるものの、第２角速度未満である場合に、角速度が低下して、第１角速度より小さい第３角速度未満になると、第１閾値を、上変更値から上基準値に切り換える（５）。これは、小さくなった本来のクランクシャフト１２の回転角度を検出できなくなるおそれがあるからである。ここで、第１角速度と第３角速度とを異ならせているのは、第１閾値近傍でのチャタリングを防止するためである。

以上のことから、第１閾値や角速度は、以下のように設定することとなる。すなわち、上基準値は、エンジン回転数が低い場合であっても本来のクランクシャフト１２の回転角度を確実に検出できる値に設定し、上変更値は、クランキング時のギャップによる電圧変動を確実に検知しない値に設定すべきである。また、第１角速度は、上変更値によって本来のクランクシャフト１２の回転角度を検出できる角速度に設定し、第２角速度は、少なくともクランキングは終了している角速度に設定すべきである。なお、第３角速度は、第１閾値のチャタリングさえ回避できれば任意に設定することができる。また、かかる角速度の条件は、離散情報においてパルス間の時間が所定の条件を満たした回数で表すこともできる。例えば、第１角速度は、パルス間の時間が所定時間未満となる回数が（連続して、もしくは、所定時間内に）所定回数に達した場合に、第１角速度以上になったと判断することができる。

図６は、角速度と閾値との関係を示した説明図である。例えば、エンジンの始動後、図６（ａ）の如く、クランクシャフト１２の角速度が第１角速度になると、図６（ｂ）のように、第１閾値を上基準値から上変更値に切り換え、さらに角速度が高まり第２角速度になると、第１閾値を上変更値から上基準値に切り換える。こうして、クランキング時のギャップによる電圧変動の影響を回避することが可能となる。

ところで、本実施形態のシグナルプレート１６では、突出部１６ａ間の回転角度として１０°および３０°が採用されている。そうすると、クランクシャフト１２が等速で回転している場合であっても、回転角度３０°のパルス間の時間は、回転角度１０°のパルス間の時間の３倍になる。また、回転角度１０°のパルス間の時間と、異なる回転タイミングにおける回転角度３０°のパルス間の時間とが等しい場合、後者は、前者の３倍の角速度で回転していることになる。

したがって、例えば、回転角度１０°のパルス間を対象とし、角速度が低下して所定の角速度未満になることを第１閾値切換の条件とした場合、回転角度３０°の領域ではその３倍の角速度に低下した時点で条件が成立してしまう。よって、単に所定の角速度未満になることを条件とするより、回転角度３０°の領域が設けられている連続数（ここでは１）より多い（ここでは２）回数連続して所定の角速度未満になることを条件とするとよい。

また、例えば、回転角度１０°のパルス間を対象とし、角速度が高まって所定の角速度以上になることを第１閾値切換の条件とした場合、その角速度に到達したとしても回転角度３０°のパルス間ではその１／３倍の角速度と判断される場合がある。よって、１のパルス間のみで判断せず、複数の検出結果の少なくとも１のパルス間が所定の角速度以上となることを条件とするとよい。

以上説明した角度導出装置１０により、エンジン回転数の高低に拘わらず、クランクシャフト等の回転軸の回転角度を正確に導出することが可能となる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、上述した実施形態においては、回転軸としてクランクシャフト１２を挙げて説明したが、かかる場合に限らず、車両の駆動に関してさえすれば、様々な回転軸に本実施形態を適用することができる。

また、シグナルプレート１６の突出部１６ａの配置として、図２のように、３０°離隔した１の領域αを設ける例を挙げて説明したが、１８０°離隔する対向する２の位置のいずれにも３０°離隔する領域を設けたり、さらに、その一方の領域に３０°離隔した領域を２つ連続して設けたりすることもできる。また、ここでは、突出部１６ａ間の角度として１０°と３０°を採用する例を挙げて説明したが、任意の角度を採用できるのは言うまでもない。

本発明は、車両の駆動に関する回転軸の回転角度を導出する角度導出装置に利用することができる。

１０ 角度導出装置
１２ クランクシャフト（回転軸）
１６ シグナルプレート
１６ａ 突出部
２０ 磁気センサ
２２ａ 信号変換部
２２ｂ 角度導出部

Claims (3)

1. 車両の駆動に関する回転軸と、
   前記回転軸と一体的に回転し、径方向に突出する複数の突出部が周方向に離隔して配されたシグナルプレートと、
   前記突出部に対向する位置に配された磁気センサと、
   前記磁気センサの検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する信号変換部と、
   前記離散情報から前記回転軸の回転角度を導出する角度導出部と、
   を備え、
   前記車両のエンジンが始動され、前記回転軸の角速度が第１角速度になると、前記閾値の絶対値を大きくすることを特徴とする角度導出装置。
2. 前記車両のエンジンが始動され、前記閾値の絶対値を大きくした後、前記回転軸の角速度が前記第１角速度より高い第２角速度になると、該閾値の絶対値を小さくすることを特徴とする請求項１に記載の角度導出装置。
3. 車両の駆動に関する回転軸と、
   前記回転軸と一体的に回転し、径方向に突出する複数の突出部が周方向に離隔して配されたシグナルプレートと、
   前記突出部に対向する位置に配された磁気センサと、
   前記磁気センサの検出信号を閾値と比較して離散情報に変換する信号変換部と、
   前記離散情報から前記回転軸の回転角度を導出する角度導出部と、
   を備え、
   前記車両のエンジンが始動され、前記回転軸の角速度が第２角速度になると、前記閾値の絶対値を小さくすることを特徴とする角度導出装置。

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