JP2020034373A - 信号処理装置及びセンサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの故障とターボチャージャ等の検出対象物の停止とを区別することができる信号処理装置及びこれを備えたセンサ装置を提供する。【解決手段】信号処理装置２０は、信号検出用の検出コイルＬ１に電気的に接続される信号処理装置２０であって、発振回路２１と、検出部２２とを具備する。発振回路２１は、検出コイルＬ１が断線していないときは第１の正弦波信号を出力し、検出コイルＬ１が断線したときは第１の正弦波信号よりも周波数が低く、かつ、振幅が大きい第２の正弦波信号を出力する。検出部２２は、第１の正弦波信号の振幅が所定の閾値を超えたか否かに基づいて検出対象物の回転を検出する検出部であって、閾値が、検出対象物の回転停止時における第１の正弦波信号の振幅よりも大きく、かつ、第２の正弦波信号の振幅よりも小さい値に設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、渦電流損による電気信号の変化を利用した回転検出装置等に用いられる信号処理装置及びこれを備えたセンサ装置に関する。

例えば特許文献１には、車両に搭載されたターボチャージャの回転速度を検出する回転検出装置が開示されている。当該回転検出装置は、センサトップ（フェライト芯にコイルが巻回されたもの）を有する渦電流センサと、渦電流センサに接続された共振回路とを備え、センサトップに近接するターボチャージャ（ブレード）に渦電流を発生させ、その渦電流損による電気信号の変化から、ターボチャージャの回転速度を検出するように構成されている。

特許第５６４５２０７号公報

しかしながら上記構成の回転検出装置は、センサが断線等により故障した場合とターボチャージャが回転していないときとで、渦電流センサからの電気信号が同じ波形となるため、センサの故障とターボチャージャの停止とを電気信号から区別することができない。したがって、センサの故障が原因でターボチャージャが回転していないと誤判断し、例えばターボチャージャが搭載されたエンジンの制御を行うと、ターボチャージャやエンジンの不調あるいは故障の原因を招くおそれがあった。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、センサの故障とターボチャージャ等の検出対象物の停止とを区別することができる信号処理装置及びこれを備えたセンサ装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る信号処理装置は、信号検出用の検出コイルに電気的に接続される信号処理装置であって、発振回路と、検出部とを具備する。
前記発振回路は、前記検出コイルが断線していないときは第１の正弦波信号を出力し、前記検出コイルが断線したときは前記第１の正弦波信号よりも周波数が低く、かつ、振幅が大きい第２の正弦波信号を出力する。
前記検出部は、前記第１の正弦波信号の振幅が所定の閾値を超えたか否かに基づいて検出対象物の回転を検出する検出部であって、前記閾値が、前記検出対象物の回転停止時における前記第１の正弦波信号の振幅よりも大きく、かつ、前記第２の正弦波信号の振幅よりも小さい値に設定される。

前記検出部は、正弦波信号のうち基準電位より高い第１の振幅を検波する第１の検波回路と、前記基準電位より低い第２の振幅を検波する第２の検波回路と、前記第１の検波回路の出力信号と前記第２の検波回路の出力信号との差分を増幅する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力を前記閾値に基づいて２値化する２値化回路と、を有してもよい。

以上述べたように、本発明によれば、センサの故障とターボチャージャ等の検出対象物の停止とを区別することができる。

本発明の一実施形態に係るセンサ装置の構成を概略的に示すブロック図である。 発振回路の構成例を示す回路図である。 検出コイルが断線していない通常時（実線）と検出コイルの断線時（二点鎖線）における発振回路の正弦波信号を比較して示す概略図である。 検波回路及び差動増幅回路の一構成例を示す回路図である。 ターボチャージャ回転時における発振回路、差動増幅回路及び二値化回路の出力波形を模式的に示す図である。 検出コイルの断線時における発振回路、差動増幅回路及び二値化回路の出力波形を模式的に示す図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るセンサ装置１００の構成を概略的に示すブロック図である。センサ装置１００は、センサトップ１０と、信号処理装置２０とを備える。本実施形態においてセンサ装置１００は、ターボチャージャにおける回転ブレードＴの回転速度あるいは回転数を検出する回転検出装置である。

センサトップ１０は、例えば突出型渦電流センサであり、金属製の回転ブレードＴに近接して配置される信号検出用の検出コイルＬ１を有する。検出コイルＬ１は、例えばフェライト等の軟磁性材料で構成された磁心の周囲に巻回されたエナメル線等の樹脂被覆銅線で形成される。検出コイルＬ１は、信号処理装置２０の発振回路２１に接続され、検出対象物である回転ブレードＴに渦電流を生じさせる磁界を発生させる。

信号処理装置２０は、発振回路２１と、検出部２２とを有する。検出部２２は、検波回路２２１と、差動増幅回路２２２と、二値化回路２２３と、分周回路２２４とを有する。

図２は、発振回路２１の構成例を示す回路図である。同図に示すように、発振回路２１は、例えば、コルピッツ型の発振回路で構成され、バイポーラトランジスタＱと、第１のコンデンサＣ10と、第２のコンデンサＣ20と、コイルＬ２とを有する。

第１のコンデンサＣ10は、バイポーラトランジスタＱのエミッタとグランド端子との間に接続され、第２のコンデンサＣ20は、バイポーラトランジスタＱのコレクタとエミッタとの間に接続され、コイルＬ２は、バイポーラトランジスタＱのコレクタとベースとの間に接続される。バイポーラトランジスタＱのエミッタとグランド端子との間には、第１のコンデンサＣ10とは並列に、抵抗Ｒと検出コイルＬ１がそれぞれ接続される。

発振回路２１は、電源（Ｖｃｃ）から電圧が入力されることで、第１のコンデンサＣ10及び第２のコンデンサＣ20の合成容量と検出コイルＬ１及びコイルＬ２の合成インダクタンスとにより定まる次式（１）で表される発振周波数ｆ０で発振する。発振周波数ｆ０は特に限定されず、例えば、３．５ＭＨｚである。

発振回路２１は、検出信号として、発振周波数ｆ０の正弦波信号を出力する。検出コイルＬ１に対向する回転ブレードＴは、検出コイルＬ１に流れる電流によって発生する磁界の影響を受ける位置を通過する。回転ブレードＴが検出コイルＬ１に対向する位置にあるときは、回転ブレードＴに誘起される渦電流によって渦電流損が発生する。この影響により、発振回路２１から出力される検出信号の電圧Ｖが変化する。この渦電流損による検出信号の電圧変化を検出部２２で検出することで、後述するように回転ブレードＴの回転が検出される。

一方、この種の回転検出装置では、センサトップ（検出コイルＬ１）が断線する場合がある。検出コイルＬ１が断線すると、次式（２）で表されるように、発振回路の合成インダクタンスが大きくなる。このため、センサトップの断線前と比較して、発振周波数ｆ０は低下するとともに、発振回路のインピーダンスが増大するため信号電圧（Ｖ）は上昇する。

図３は、検出コイルＬ１が断線していない通常時と検出コイルＬ１の断線時における発振回路２１の正弦波信号を比較して示す概略図である。図中実線は、通常時における発振回路２１の電圧波形であり、以下、第１の正弦波信号Ｗ１ともいう。図中二点鎖線は、検出コイルＬ１の断線時における発振回路２１の電圧波形であり、以下、第２の正弦波信号Ｗ２ともいう。

例えば、発振回路２１は、検出コイルＬ１が断線したとき、発振周波数が通常時の３．５ＭＨｚ（第１の周波数）からこれよりも低い５００ｋＨｚ（第２の周波数）に低下し、信号電圧が６Ｖ（通常時）から８Ｖに上昇するように設定される。
なお図３は概略図であるため、各正弦波信号Ｗ１，Ｗ２の周波数の相対比は必ずしも上述の例に一致しない。

続いて、検出部２２について説明する。図４は、検波回路２２１及び差動増幅回路２２２の一構成例を示す回路図である。

検波回路２２１は、第１の検波回路２２１Ａと、第２の検波回路２２１Ｂとを有する。

第１の検波回路２２１Ａは、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、ダイオードＤ１と、抵抗Ｒ１とを有する。ダイオードＤ１、コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ１は、発振回路２１に接続される第１の信号線Ｓ１とGND電位（以下、基準電位という）との間に並列に接続される。ダイオードＤ１は、基準電位から第１の信号線へ向かう電流の流れを順方向とする。そして、コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ１は、発振回路２１が出力する正弦波信号（検出信号）のうち基準電位よりも高い（正電位）の第１の振幅を検波する積分回路Ｆ１を構成する。

第２の検波回路２２１Ｂは、コンデンサＣ４，Ｃ５，Ｃ６と、ダイオードＤ２と、抵抗Ｒ２とを有する。ダイオードＤ２、コンデンサＣ４及び抵抗Ｒ２は、発振回路２１に接続される第２の信号線Ｓ２と基準電位との間に並列に接続される。ダイオードＤ２は、第２の信号線Ｓ２から基準電位へ向かう電流の流れを順方向とする。そして、コンデンサＣ５及び抵抗Ｒ２は、発振回路２１が出力する正弦波信号のうち基準電位よりも低い（負電位）の第２の振幅を検波する積分回路Ｆ２を構成する。

差動増幅回路２２２は、第１の検波回路２２１Ａの出力信号と第２の検波回路２２１Ｂの出力信号との差分を増幅する。差動増幅回路２２２は、オペアンプＯＰと、抵抗Ｒ３，Ｒ４，Ｒ５，Ｒ６と、バイアス電源Ｅとを有する。抵抗Ｒ３は、検波回路２２１の第１の信号線Ｓ１とオペアンプＯＰの入力端子（非反転入力端子）との間に接続され、抵抗Ｒ４は、検波回路２２１の第２の信号線Ｓ２とオペアンプＯＰの反転入力端子との間に接続される。抵抗Ｒ５は、オペアンプＯＰの負帰還抵抗であり、抵抗Ｒ６は、バイアス電源ＥとオペアンプＯＰの入力端子（非反転入力端子）との間に接続される。

二値化回路２２３は、差動増幅回路２２２の出力を所定電位と比較する比較器を含む。所定電位は、センサトップ１０に対する回転ブレードＴの接近に伴って変化する第１の正弦波信号Ｗ１の振幅を検出するための閾値（Ｖth）である。二値化回路２２３は、第１の正弦波信号Ｗ１をその振幅が上記閾値（Ｖth）を超えたか否かで二値化する。つまり、回転ブレードＴの回転によるセンサトップ１０に対する接近及び離間に伴って第１の正弦波信号Ｗ１の振幅が変化し、その振幅の変化を上記閾値（Ｖth）に基づいて二値化することで得られるパルス信号を生成する。生成されたパルス信号の周波数は、回転ブレートＴの回転周波数によって定まり、例えば、５０Ｈｚ〜７２ｋＨｚである。

分周回路２２４は、二値化回路２２３の出力を所定の分周比で分周する。これにより、回転ブレードＴの回転数に対応する検出信号が得られる。得られた検出信号は、ＥＣＵ（Electronic Control Unit）３０へ出力され、回転ブレードＴの回転数が検出される。なお、分周回路２２４は、ＥＣＵ３０に設けられてもよい。

図５（Ａ）〜（Ｄ）は、ターボチャージャ回転時における発振回路２１、差動増幅回路２２２及び二値化回路２２３の出力波形を模式的に示す図であり、（Ａ）は第１の正弦波信号Ｗ１の正電位側の包絡線、（Ｂ）は、（Ａ）における電圧変動の中立点（Ｐ部）の拡大図である。（Ｃ）は差動増幅回路２２２の出力波形を、（Ｄ）は二値化回路２２３の出力波形をそれぞれ示している。

第１の検波回路２２１Ａは、発振回路２１から出力される第１の正弦波信号Ｗ１の正電圧側を検波する。第２の検波回路２２１Ｂは、発振回路２１から出力される第１の正弦波信号Ｗ１の負電圧側を検波する。第１の正弦波信号Ｗ１は、センサトップ１０に回転ブレードＴが接近したときに振幅が小さくなり、センサトップ１０から回転ブレードＴが離間したときに振幅が大きくなる高周波信号である。したがって、ターボチャージャが回転しているときは、図５（Ａ）に示すように、回転ブレードＴの回転に応じて第１の正弦波信号Ｗ１の振幅が周期的に変化する。差動増幅回路２２２は、図５（Ｃ）に示すように、回転ブレードＴの接近時に振幅が最大となる波形の信号を出力する。二値化回路２２３は、図５（Ｄ）に示すように、差動増幅回路２２２の出力が閾値Ｖthを超える領域を「１」、閾値Ｖth未満の領域を「０」とするパルス信号を生成し、これを回転ブレードＴの回転数に関する情報として分周回路２２４へ出力する。

閾値Ｖthは、ターボチャージャ回転時における電圧変動の中立点（図５（Ａ）におけるＰ部）において、図５（Ｂ）に示すように、第１の正弦波信号Ｗ１の振幅よりも大きな値に設定される。回転ブレードＴの回転が停止しているときは、第１の正弦波信号Ｗ１の振幅は変化しない。この場合、差動増幅回路２２２の出力が一定値であるため、二値化回路２２３の出力（パルス信号）は出力されなくなる。

一方、従来のこの種の回転検出装置では、センサトップが断線した場合、発振回路２１が検波回路２２１に向け出力される信号波形はターボチャージャの回転停止時と同じ形状となるため、センサの故障とターボチャージャの停止とを区別することができなかった。
本実施形態では、後述するように、回転ブレードＴの回転を検出するための閾値Ｖthが、第２の正弦波信号Ｗ２の振幅よりも小さい値に設定される。

図６（Ａ）〜（Ｄ）は、検出コイルＬ１の断線時における発振回路２１、差動増幅回路２２２及び二値化回路２２３の出力波形を模式的に示す図であり、（Ａ）は出力波形の正電位側の包絡線、（Ｂ）は、（Ａ）における電圧変動の中立点（Ｐ部）の拡大図である。（Ｃ）は差動増幅回路２２２の出力波形を、（Ｄ）は二値化回路２２３の出力波形をそれぞれ示している。

検出コイルＬ１が断線したとき、発振回路２１は、検出信号として第２の正弦波信号Ｗ２を出力する。図６（Ａ）に示すように、ターボチャージャの回転停止時と同様に検出信号の振幅変動はなく、一定値をとる。一方、上述のように、第２の正弦波信号Ｗ２は、第１の正弦波信号Ｗ１よりも周波数が低く、振幅が大きい。

そこで本実施形態では、二値化回路２２３の閾値Ｖthを図６（Ｂ）に示すように、第２の正弦波信号Ｗ２の振幅よりも小さい値に設定する。すなわち、閾値Ｖthは、回転ブレードＴの回転停止時における第１の正弦波信号Ｗ１の振幅よりも大きく、かつ、第２の正弦波信号Ｗ２の振幅よりも小さい値に設定される。これにより、検出コイルＬ１の断線時にも二値化回路２２３によって、差動増幅回路２２２の出力信号のうち閾値Ｖth以上の信号成分を抽出したパルス波形の信号を出力することが可能となる（図６（Ｃ），（Ｄ）参照）。このパルス波形の信号は、第２の正弦波信号Ｗ２の周波数（例えば、約５００Ｈｚ）に対応するため、ターボチャージャ回転時に検出されるパルス信号（５０Ｈｚ〜７２ｋＨｚ）とは周波数帯域が異なる。これにより、ＥＣＵ３０はセンサトップ１０の故障を検出することができる。

第２の正弦波信号Ｗ２の周波数および電圧の調整方法は特に限定されず、例えば、発振回路２１における第１のコンデンサＣ10及び第２のコンデンサＣ20の容量値で調整することができる。

以上のように本実施形態によれば、センサトップ１０の故障とターボチャージャの停止とを区別することができる。これにより、センサトップ１０の故障によるターボチャージャが回転していないとの誤判断が回避されるので、当該誤判断に起因するターボチャージャやエンジンの不調あるいは故障を防ぐことができる。

さらに本実施形態によれば、発振回路２１の検出信号からセンサトップ１０の故障を検出することができるため、センサトップ１０の異常検出信号を出力するための端子を発振回路２１に別途設ける必要がなくなり、１つの出力端子で通常時の検出信号と異常時の検出信号とを出力することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、発振回路２１として図２に示したようなコルピッツ型の発振回路で構成されたが、これに限られず、センサトップ１０の故障時に周波数が低下し、電圧が高くなる他の発振回路が採用されてもよい。

また、以上の実施形態では、回転速度の検出対象としてターボチャージャにおける回転ブレードを例に挙げて説明したが、検出対象はこれに限られず、例えば、空冷ファンや送風ファン等の回転羽根等であってもよい。

さらに以上の実施形態では、センサトップ１０として渦電流センサを例に挙げて説明したが、これに限られず、コイルを有する各種のセンサやアンテナ等であってもよく、これらの断線検知に本発明が適用されてもよい。

１０…センサトップ
２０…信号処理装置
２１…発振回路
２２…検出部
３０…ＥＣＵ
１００…センサ装置
２２１…検波回路
２２１Ａ…第１の検波回路
２２１Ｂ…第２の検波回路
２２２…差動増幅回路
２２３…二値化回路
２２４…分周回路
Ｌ１…検出コイル

Claims (3)

1. 信号検出用の検出コイルに電気的に接続される信号処理装置であって、
   前記検出コイルが断線していないときは第１の正弦波信号を出力し、前記検出コイルが断線したときは前記第１の正弦波信号よりも周波数が低く、かつ、振幅が大きい第２の正弦波信号を出力する発振回路と、
   前記第１の正弦波信号の振幅が所定の閾値を超えたか否かに基づいて検出対象物の回転を検出する検出部であって、前記閾値が、前記検出対象物の回転停止時における前記第１の正弦波信号の振幅よりも大きく、かつ、前記第２の正弦波信号の振幅よりも小さい値に設定された検出部と
   を具備する信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置であって、
   前記検出部は、正弦波信号のうち基準電位より高い第１の振幅を検波する第１の検波回路と、前記基準電位より低い第２の振幅を検波する第２の検波回路と、前記第１の検波回路の出力信号と前記第２の検波回路の出力信号との差分を増幅する差動増幅回路と、前記差動増幅回路の出力を前記閾値に基づいて二値化する二値化回路と、を有する
   信号処理装置。
3. 請求項１又は２に記載の信号処理装置と、
   前記信号処理装置と電気的に接続された検出コイルと
   を備えたセンサ装置。

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