JP3846336B2 - 車両用交流発電機の異常検出装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機の異常を検出する車両用交流発電機の異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の自動車は、社会のニーズに応えるために、年々様々な電気装置が開発されて搭載されており、電気使用量は増加の一途をたどっている。これらの電力需要に応えるべく車両用交流発電機も年々小型高出力化を実現しながら進歩している。このような車両用交流発電機が高出力化すればするほど、その異常発生時の影響は大きくなる傾向にある。したがって、車両用交流発電機の異常を早期に検出して運転者にいち早く警報する必要が生じている。
【０００３】
一般に、車両用交流発電機は、回転磁束発生源となる界磁鉄心を磁化するための界磁巻線を備えており、この界磁巻線の導通率を制御しながら出力電圧の制御を実施している。このような車両用交流発電機の異常検出は、古くから実施されている。例えば、車載のバッテリ電圧の検出レベルと界磁巻線の導通率との関係等が、本来あるべき適正値から外れていることを検出したときに異常であると判断する従来の異常判定装置が知られている。しかし、このような異常判定装置では、異常検出の信頼性が低く、車両用交流発電機が完全に発電機能不良に至らないと異常検出を行うことができなかった。
【０００４】
また、その他の従来技術としては、特開平８−６５９１４号公報に開示された「車両用交流発電機の制御装置」や、米国特許公報第４２４２６７４号に開示された「オルタネータ異常警報表示装置」が知られている。特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、車両用交流発電機に含まれる電機子巻線に現れる出力波形のデューティ比を検出して異常判定を行っている。また、米国特許公報第４２４２６７４号公報に開示された異常警報表示装置では、直流出力電圧のリップルの波高値を検出し、所定値以上のリップルが出現した場合に車両用交流発電機の異常判定を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、整流ダイオードの破損に起因する異常発生時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化するため、異常検出を行うことが可能であるが、電機子巻線の相内あるいは相間レアなどの異常発生時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化しないため、この種の異常を検出することができなという問題があった。
【０００６】
図８は、車両用交流発電機の各部分に異常が発生した場合の電機子巻線の波形を示す図である。図８（ａ）には正常時の波形が、図８（ｂ）には正極側ダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｃ）には負極側ダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｄ）には電機子巻線の相間レアが生じた場合の波形が、図８（ｅ）には電機子巻線が断線した場合の波形がそれぞれ示されている。
【０００７】
これらの波形からわかるように、ダイオードに異常が発生した場合には、明らかに電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化する（例えば正常時の５０％が正極側ダイオードショート時に約６７％に、負極側ダイオードショート時約３３％にそれぞれ変化する）。これに対し、電機子巻線の故障時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比はほぼ５０％を維持するため、特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、このような電機子巻線の故障を検出することはできない。
【０００８】
また、最近では、低騒音化に対応して、図１２に示すような２組の電機子巻線と整流器を備える車両用交流発電機が普及しているが、このような車両用交流発電機の場合には、一方の組の整流ダイオードの破損時のデューティ比の変化は、他方の電機子巻線の出力電圧には現れないことが判明した。例えば、異常検出機能を備え電圧制御装置に電機子巻線の出力を整流する一方の整流器を構成するいずれかのダイオードが故障した場合には、上述した特開平８−６５９１４号公報に開示された技術を用いることにより異常検出を行うことが可能であるが、他方の整流器を構成するダイオードに故障が発生しても電機子巻線の出力電圧には大きな変化が現れない。すなわち、電圧制御装置に接続されない側の整流器の異常検出は不可能である。
【０００９】
このため、両方の整流器の異常を検出するためには、両方の電機子巻線の出力電圧を検出する必要があるが、制御回路への入力端子の増加による構造の複雑化や、接続信頼性の低下を招くという弊害がある。
また、このような弊害を引き起こさない工夫がなされた米国特許第４２４２６７４号においても、以下の問題があることが明らかになった。
【００１０】
すなわち、航空機用の発電機のように駆動回転数がほぼ一定で、電気負荷の変動も少ないような発電機においては米国特許第４２４２６７４号の技術は極めて有効であるが、自動車の走行用エンジンにて駆動される発電機は常に回転数が変動しており、リップル成分の振幅も常に変動する。また、信号待ち等で減速、停止する過程において常にブレーキランプが点灯するので電気負荷の変動も極めて激しい。さらに、使用耐用年数の割にメインテナンス期間が比較的長いという特徴を有することも検出精度低下の原因の一つと考えられる。このような使用環境の車両用交流発電機の出力電圧のリップル成分の電圧レベルのみで、異常の検出を行うことは極めて困難であることが発明者等の研究によって明らかになった。
【００１１】
このような不都合を回避するために、米国特許第４３１５２０４号では、車両用交流発電機のリップル検出手段が用いられている。しかしながら、リップル振幅のみの検出では真の異常を判定することができないため、他の幾つかの検出手段を有しており、極めて複雑で大規模な構成になってしまい、実用化には至っていない。
【００１２】
さらに、米国特許第４１７８５４６号では、発電機の直流出力電圧のリップルの周波数を検出し、この周波数が所定値でない場合に異常であると判定する技術が開示されている。しかし、発電機の駆動回転数に依存するリップル周波数の検出は、常時回転変動しているエンジンで駆動される発電機においては極めて困難である。例えば、米国特許第４１７８５４６号では、トラッキングフィルタが必要になるが、このトラッキングフィルタは、発電機の電圧制御装置内に実装するには規模が大きすぎる。
【００１３】
また、発電機の出力電流を直接検波する方法も様々なものが考えられるが、ある程度の反応速度と検出精度を兼ね備えるセンサを装備する必要があるため、コスト面から採用が難しい。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、車両用交流発電機の異常状態を特別な装置やセンサなどを使用することなく、確実かつ高精度に検出することができる車両用交流発電機の異常検出装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機の異常検出装置は、異常判定手段および警報出力手段を備えている。異常判定手段は、車両用交流発電機の整流器の出力電圧に含まれるリップルを検出するとともに、車両用交流発電機の発電動作の基本周期に対応する所定期間内にリップルが所定個数以上検出できない場合に、車両用交流発電機に異常があるものとして異常判定を行う。警報出力手段は、異常判定手段によって異常判定がなされたときに所定の警報信号を出力する。これにより、車両用交流発電機の異常検出を行うために専用センサ等の特別な装置を備える必要がなく、従来の車両用交流発電機の電圧制御装置が検出している信号を波形整形するだけで容易に実現することができ、早期に確実かつ高精度に異常発見を行うとともに、これに伴う早期の警報出力が可能となる。さらに、車両用交流発電機の異常をいち早く運転者に知らせることができるため、車載機器へのダメージが進行する前に何らかの対策を講じることが可能になる。
【００１５】
また、上述した異常判定手段は、車両用交流発電機の電機子を構成する多相巻線の少なくとも１相の出力電圧の半周期あるいは１周期の整数倍の期間を所定期間として前記異常判定を行うことが望ましい。これにより、専用のタイマ回路等を用いることなくリップルを検出する期間を設定することができるとともに、回転変動の激しい車両用交流発電機の電圧変動に追随して検出遅れを生じないようにすることが可能になる。
【００１６】
また、多相巻線の相数をｍ、整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、上述した異常判定手段は、所定期間内に、リップルがｋｍ−ｊで表される個数以上検出できない場合に異常判定を行うことが望ましい。これにより、異常状態の判定基準の明確化が可能であり、異常状態の検出精度をさらに高めることができる。
【００１７】
また、車両用交流発電機の界磁巻線の通電を遮断するスイッチ手段の導通率を検出する導通率検出手段をさらに備えるとともに、多相巻線の相数をｍ、整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、上述した警報出力手段は、導通率が（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍで表される値よりも小さい場合に、警報信号の出力を停止することが望ましい。これにより、比較的発電量が少ない状態では車両用交流発電機や車載機器に対するダメージの進行が少ないため、このような状況での異常警報を禁止することにより頻繁な警報動作を回避し、警報装置の寿命低下を防止することができる。
【００１８】
また、異常を検出すべき期間においてスイッチ手段の断続に起因する出力電圧の変動の影響が少なくなるので、簡単なフィルタによりリップル成分を容易に検出することができる。
例えば、図１１（ａ）、（ｂ）は、ｍ＝３、ｊ＝１、ｋ＝１として導通率を変化させた場合の出力波形を示す図であり、それぞれ導通率が約５０％と約８３％の場合が示されている。図１１（ａ）に示すように、導通率が小さい場合には、点線で示すように、整流作用に起因する電圧変動よりもスイッチ手段の断続に起因する電圧変動の方が大きくなる。スイッチ手段の断続による電圧変動の振幅は、車両用交流発電機の時定数、特に界磁巻線の時定数に深く関係していることが知られており、導通率が５０％程度のときに最も大きくなる。これに対し、図１１（ｂ）に示すように、導通率が大きい場合には、点線で示すように、スイッチ手段の断続に起因する電圧変動が小さくなる。
【００１９】
リップル成分を単なる交流結合フィルタで検出しようとする場合に、このスイッチ手段の断続による電圧変動にリップル成分が埋もれてしまうと正確なリップル検出を行うことができない。ところが、導通率が小さい場合あるいは大きい場合には、スイッチ手段の断続による電圧変動は小さくなり、リップルが交流結合フィルタのみで容易に検出可能となる。
【００２０】
今仮に、導通率が小さい場合に車両用交流発電機が故障した場合を想定する。この場合には発電能力が一気に低下するので、車載のバッテリ電圧が低下する。このとき、車両用交流発電機の電圧制御装置は、バッテリ電圧の低下を検出してスイッチ手段の導通率を直ちに増大させて発電量を維持するような制御を行うので、必然的に導通率は高く維持される。したがって、車両用交流発電機の異常検出を、スイッチ手段の導通率が比較的高いときに限って実施するようにすれば、簡単なフィルタのみでリップルを検出することできることが発明者等の研究で明らかになった。また、その導通率は、（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍで表される値以上に設定すれば十分であることがわかった。
【００２１】
図１１（ｃ）では、図１１（ｂ）に対して、車両用交流発電機の回転数が２倍になった場合、あるいは図１１（ｂ）の場合と同じ回転数であってｍ＝６、ｊ＝２、ｋ＝１とした場合に相当する電圧波形を示している。リップル成分の周波数は、車両用交流発電機の回転数に比例して増大する。また、整流器の数ｊにも比例して増大する。しかし、スイッチ手段の導通率の周期は、これら回転数や整流器の数に依存しない一定値である。したがって、異常検出の導通率の下限値を、（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍと設定することで、最もリップル周波数の低いアイドリング状態においても十分に異常検出を行うことが可能であることも明らかになっている。
【００２２】
また、逆方向降伏特性を備えるダイオードを少なくとも一つ含んで整流器が構成されている車両用交流発電機について、異常の検出を行うことが望ましい。このような構成を有する車両用交流発電機においてはツェナーダイオードが最も破損に至りやすく、一旦破損すると、車両用交流発電機の他の部分へのダメージの波及が著しいことが知られている。このため、このような構成を有する車両用交流発電機に、本発明の異常検出装置を組み合わせて用いることにより、車両用交流発電機の異常を検出して大きなダメージの進行を有効に防止することが可能となる。
【００２３】
また、互いに電気的に接続されていない複数の多相巻線と、これら複数の多相巻線のそれぞれの交流出力を独立して整流する複数の整流器を含んで構成される車両用交流発電機について、異常の検出を行うことが望ましい。このような構成を有する車両用交流発電機に対しても、異常検出装置の数を増やすことなく異常検出を行うことが可能になるため、装置の小型化や実装の容易化を図ることができる。
【００２４】
また、上述した異常判定手段は、整流器の出力電圧から高調波成分を除去した後の平均電圧と出力電圧とを比較することにより、異常判定を行うことが望ましい。これにより、出力電圧にうねり成分が存在する場合であっても、リップル成分を高い精度で検出することができる。
【００２５】
また、整流器の出力電圧の振幅を検出する振幅検出手段をさらに備えるとともに、振幅検出手段によって検出された出力電圧の振幅が所定値以下の場合に警報出力手段による警報信号の出力を停止することが望ましい。これにより、整流器の出力電圧の振幅が所定値以下の場合には異常警報が行われないため、車両用交流発電機が正常動作しているにもかかわらず、外部の電気機器から侵入するノイズ成分に対応して誤警報することを防止することができる。
【００２６】
特に、近年、電磁騒音が大幅に低減された車両用交流発電機においては、整流後のリップルが極端に小さくなっているので、電気負荷量が小さく、回転数が低い場合において、リップルの検出そのものが困難になり、他の機器、例えば点火装置の発生するノイズの方が大きくなるという現象が懸念される。また、車両用交流発電機からバッテリまでの電気的距離、すなわち電力供給線のインダクタンスが小さい場合においてもリップルの振幅が小さくなる。近年の小型車において特にこのような傾向が強い。ところが、本発明の異常検出装置を用いれば、このようなリップルが小さな環境下において他の電気機器が発するノイズに誤反応しても誤警報してしまうことを防止することができる。
【００２７】
また、整流器の出力電圧の平均電圧を検出する平均電圧検出手段をさらに備えるとともに、平均電圧検出手段によって検出された平均電圧が所定値以上の場合に警報出力手段による警報信号の出力を停止することが望ましい。異常発生時にはバッテリを十分に充電できずにバッテリ電圧が徐々に低下する。一方で、故障が軽微な場合には、バッテリを充電するだけの余力があるため電圧は下がらず、ダメージが進行しないので故障とは判定しないようにする。このようにすることで、誤警報を防止することが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明を適用した第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリや警報灯との接続状態が示されている。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子巻線２、整流器３、界磁巻線４および電圧制御装置５を含んで構成されている。電機子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）からなっており、誘起される交流出力が整流器３に供給される。整流器３は、電機子巻線２の交流出力を直流出力に整流する全波整流回路であり、逆方向降伏特性を有するツェナーダイオードによって構成されている。界磁巻線４は、電機子巻線２に電圧を誘起させるための鎖交磁束を発生させるために、励磁電流を流して界磁を形成する。電圧制御装置５は、この車両用交流発電機１の出力電圧を所定の調整電圧Ｖreg に制御する。この電圧制御装置５は、車両用交流発電機１に異常が発生したときに、警報灯９３を点灯させて運転者に異常発生を知らせる異常検出装置としての機能を有している。
【００３０】
車両用交流発電機１は、Ｂ端子（出力端子）が電力供給線９を介して車載のバッテリ９１に、ＩＧ端子がキースイッチ９２に、Ｌ端子が警報灯９３にそれぞれ接続されている。
また、電圧制御装置５は、パワートランジスタ５１、還流ダイオード５２、主電源回路５３、フィルタ装置５４、電圧比較器５５、リップル検出器５６、リップルカウンタ５７、異常判定器５８、警報灯駆動トランジスタ５９を備えている。リップル検出器５６、リップルカウンタ５７、異常判定器５８が異常判定手段に、警報灯駆動トランジスタ５９が警報出力手段にそれぞれ対応する。
【００３１】
パワートランジスタ５１は、界磁巻線４に対して直列に接続されており、この界磁巻線４に流れる励磁電流を断続制御するスイッチ手段である。還流ダイオード５２は、界磁巻線４に対して並列に接続されており、パワートランジスタ５１が開成時に励磁電流を還流させる。主電源回路５３は、キースイッチ９２の投入を検出したときに、バッテリ９１から印加されるバッテリ電圧に基づいて、電圧制御装置５が動作するために必要な駆動電圧Ｖccを生成する。フィルタ装置５４は、整流器３の出力電圧に重畳する高調波ノイズを吸収する。
【００３２】
電圧比較器５５は、フィルタ装置５４の出力電圧と調整電圧Ｖreg を比較し、フィルタ装置５４の出力電圧の方が調整電圧Ｖreg よりも低い場合に出力をハイレベルにする。電圧比較器５５の出力端子はパワートランジスタ５１のゲートに接続されており、フィルタ装置５４の出力電圧の方が調整電圧Ｖreg よりも低くて電圧比較器５５の出力がハイレベルになるとパワートランジスタ５１が閉成する。
【００３３】
リップル検出器５６は、整流器３の出力電圧に重畳するリップル成分を検出する。リップルが検出されると、リップル検出器５６からは、その都度検出信号が出力される。この検出信号は、信号線Ｌ１を介してリップルカウンタ５７に送られる。リップルカウンタ５７は、リップル検出器５６から信号線Ｌ１を経由して送られてくる検出信号の数を、信号線Ｌ２を介して入力される電機子巻線２の１相の電圧に基づいて設定された所定期間内にカウントする。このカウント結果は、信号線Ｌ３を介して異常判定器５８に送られる。
【００３４】
異常判定器５８は、リップルカウンタ５７から送られてくるカウント結果に基づいて、車両用交流発電機１に異常があるか否かを判定する。異常ありの場合には、異常判定器５８は、信号線Ｌ４を介して接続されている警報灯駆動トランジスタ５９を閉成して、警報灯９３を点灯させる。
【００３５】
図２は、リップル検出器５６の具体的な構成を示す図である。図２に示すリップル検出器５６は、６つの抵抗５６１〜５６６、コンデンサ５６７、ダイオード５６８、電圧比較器５６９を含んで構成されている。このリップル検出器５６は、車両用交流発電機１の出力信号に重畳するリップル成分を交流結合して抽出した後パルス化する処理を行っている。コンデンサ５６７、抵抗５６２、ダイオード５６８によって高域通過型のフィルタ部が形成されており、このフィルタ部から電圧比較器５６９のプラス端子に向けて、整流器３の出力信号から直流成分を除去した後のリップル成分のみが入力される。抵抗５６１、５６２によって適当なバイアス電圧が生成されており、フィルタ部から出力されるリップル成分のみの信号にこのバイアス電圧が加算された電圧が、抵抗５６５を介して電圧比較器５６９のプラス端子に印加される。また、抵抗５６３、５６４によって電源電圧Ｖccが分圧された所定の基準電圧が抵抗５６６を介して電圧比較器５６９のマイナス端子に印加されている。この基準電圧はリップルに加算されるバイアス電圧よりも若干高い値に設定されており、電圧比較器５６９は、リップル成分に対応したパルス信号を生成して出力する。
【００３６】
図３は、リップルカウンタ５７の具体的な構成を示す図である。図３に示すリップルカウンタ５７は、インバータ回路５７１、２つの分周器５７２、５７３、オア（ＯＲ）回路５７４、２つのトランジスタ５７５、５７６、抵抗５７７、コンデンサ５７８、２つのダイオード５９１、５９２、電圧比較器５９３を含んで構成されている。縦続接続された２つの分周器５７２、５７３は、信号線Ｌ２を介して入力される電機子巻線２の１相の出力信号ＶP を分周することにより、リップルパルスの数をカウントする際の所定期間信号を生成する。オア回路５７４には、前段の分周器５７２の出力信号と、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスをインバータ回路５７１で反転させた信号とが入力されており、これらの信号がともにローレベルのときにトランジスタ５７５が開成される。２つのトランジスタ５７５、５７６は、コンデンサ５７８、５７９とダイオード５９１、５９２によって構成される電荷移送回路によって結合されている。後段のトランジスタ５７６の開成時に、前段のトランジスタ５７５が開成されると主電源回路５３から流れ込む電荷が上述した電荷移送回路を介してコンデンサ５７９に蓄えられ、コンデンサ５７９の両端電圧が上昇する。一方、前段のトランジスタ５７５が閉成されると、主電源回路５３から流れ込む電荷がこのトランジスタ５７５を介して接地側に流れるため、コンデンサ５７９の充電動作は停止される。また、後段のトランジスタ５７６が閉成されると、コンデンサ５７９に蓄えられた電荷が放電される。また、電圧比較器５９３は、プラス端子にコンデンサ５７９の両端電圧が印加され、マイナス端子に所定の閾値Ｖthが印加されており、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthを超えたときにハイレベルの信号を出力する。
【００３７】
図４は、異常判定器５８の具体的な構成を示す図である。図４に示す異常判定器５８は、４つの抵抗５８１〜５８４、トランジスタ５８５、コンデンサ５８６、電圧比較器５８７、異常検出器５８８、オア回路５８９を含んで構成されている。リップルカウンタ５７から出力される信号が抵抗５８１を介してトランジスタ５８５のベースに入力される。また、コンデンサ５８６は、一方端が接地されており、他方端が抵抗５８４を介して主電源回路５３に接続されているとともにトランジスタ５８５のコレクタと抵抗５８３を介して接続されている。
【００３８】
リップルカウンタ５７の出力信号がローレベルの場合にはトランジスタ５８５が開成されるため、主電源回路５３から流れ込む電荷によってコンデンサ５８６が充電され、その両端電圧が上昇する。一方、リップルカウンタ５７の出力信号がハイレベルの場合にはトランジスタ５８５が閉成されるため、コンデンサ５８６に蓄えられた電荷がトランジスタ５８５を介して放電される。電圧比較器５８７は、プラス端子にコンデンサ５８６の両端電圧が印加され、マイナス端子に所定の閾値Ｖth２が印加されており、コンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を超えたときにハイレベルの信号を出力する。電圧比較器５８７の出力信号はオア回路５８９を介して警報灯駆動トランジスタ５９に送られる。なお、異常検出器５８８は、リップル信号を用いた本発明の手法以外の方法を用いて車両用交流発電機１の異常を検出するためのものであり、励磁回路系統の異常や電力供給線系統の異常等が検出されたときにハイレベルの信号を出力する。
【００３９】
本実施形態の車両用交流発電機１に含まれる電圧制御装置５はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
（１）正常時の動作
図５は、車両用交流発電機１に異常がない場合の正常時における電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。なお、図５〜図８において用いられた符号は、図２等において示した構成図内で用いた符号に対応している。
【００４０】
正常時の電機子巻線２の１相の出力信号ＶP は、正の半周期にリップル成分が重畳したデューティ比が約５０％の矩形波形状を有している（図５（ａ））。また、整流器３の直流出力信号ＶB には、鋸波状のリップル成分が重畳している（図５（ｂ））。正常時のリップルは、電機子巻線２がｍ相であってこの出力電圧を全波整流する場合には、電気的な１周期（電機子巻線２の出力電圧の１周期に相当する）中に２ｍ個の波形が現れる。このリップル成分を含む直流信号をリップル検出器５６に通すことにより、リップルの数に等しいパルス列（リップルパルス）が生成される（図５（ｃ））。
【００４１】
また、リップルカウンタ５７内では、図５（ａ）に示した電機子巻線２の１相の出力信号ＶP を１／２分周した信号Ｐ１が前段の分周器５７２から出力される（図５（ｄ））。オア回路５７４は、この信号Ｐ１と、リップル検出器５６から信号線Ｌ１を介して入力されるリップルパルスとが入力されており、これら２つの信号の論理和信号をトランジスタ５７５のベースに入力する。したがって、分周器５７２の出力がハイレベルのとき、あるいは、リップル検出器５６から入力されるリップルパルスを反転した信号がハイレベルのときに、オア回路５７４から出力される論理和信号がハイレベルになって、トランジスタ５７５が閉成される。反対に、分周器５７２の出力がローレベルであり、かつ、リップルパルスがハイレベルのときに、トランジスタ５７５が開成される（図５（ｆ））。トランジスタ５７５の閉成時には、主電源回路５３からの電荷は全てトランジスタ５７５のコレクタ・エミッタ間を通って接地側に流れ込んでしまうが、トランジスタ５７５の開成時には、この電荷がコンデンサ５７８、ダイオード５９１、５９２によって構成される電荷移送回路を通してコンデンサ５７９に蓄積される。この蓄積電荷ｑ２は、トランジスタ５７６が開成している間（図５（ｅ））、リップルパルス発生毎に蓄積され続け、コンデンサ５７９の両端電圧が徐々に上昇する（図５（ｇ））。そして、リップルパルスが所定個数以上入力（検出）されると、コンデンサ５７９の両端電圧が所定の閾値Ｖthを超えるので、電圧比較器５９３の出力信号がハイレベルに変化する（図５（ｈ））。この電圧比較器５９３の出力信号は、信号線Ｌ３を介して異常判定器５８に入力される。
【００４２】
異常判定器５８では、リップルカウンタ５７の出力信号がハイレベルのときにトランジスタ５８５が閉成され、コンデンサ５８６に蓄積された電荷が抵抗５８３を介して放電される。また、トランジスタ５８５が開成時には、電源電圧Ｖccが抵抗５８４を介してコンデンサ５８６に印加されるためコンデンサ５８６が充電される。これらの抵抗５８４、５８３は、コンデンサ５８６の充放電の時定数を決定するものであり、充電時定数に対して放電時定数を十分に小さくしておく必要がある。例えば、（抵抗５８４の抵抗値）／（抵抗５８３の抵抗値）を１００〜１０００程度に設定することが望ましい。
【００４３】
このように設定することにより、コンデンサ５８６の両端電圧ＶC3は、正常時には、閾値Ｖthに達する前（時刻ｔ２）に、閉成されたトランジスタ５８５によって放電されるため（図５（ｉ））、電圧比較器５８７の出力信号（ＣＯ4 ）はローレベルを維持する（図５（ｊ））。したがって、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されることはなく、警報灯９３は点灯しない。
【００４４】
その後、時刻ｔ３において後段の分周器５７３の出力信号がローレベルの状態からハイレベルの状態に反転すると、リップルカウンタ５７内のトランジスタ５７６が閉成されるため（図５（ｅ））、コンデンサ５７９が放電されてリップルカウンタ５７の出力がローレベルになり、再び分周器５７３の出力信号がローレベルの状態に戻るまでリップルカウンタ５７の出力がローレベルを維持する。
【００４５】
（２）整流器３の正極側ダイオードにショート故障が発生した場合の動作
次に、整流器３の正極側ダイオードがショートした場合に動作を説明する。
図６は、正極側ダイオードがショートした場合の電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。
【００４６】
正極側ダイオードがショートした場合の電機子巻線２の１相の出力信号ＶP は、正電位の期間が長くなってデューティ比が約６７％の矩形波形状を有している（図６（ａ））。そして、整流器３の直流出力信号ＶB は、正常時とは明らかに異なるリップル成分が重畳した状態となる（図６（ｂ））。この場合のリップル波形は、整流器３の出力信号の電気的な１周期中に検出可能な成分は２回しか現れず、リップル成分を検出することができない期間も存在する（図６（ｃ）の時刻ｔ４〜ｔ５）。このように、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスの数が少なく、リップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９の充電が十分に行われない。したがって、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthに達する前に、分周器５７３の出力がハイレベルになってトランジスタ５７６が閉成され、コンデンサ５７９が放電されてしまう（図６（ｇ））。このため、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が放電されることがなく、このコンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を下回ることはない（図６（ｉ））。すなわち、整流器３の正極側ダイオードがショートした場合には、異常判定器５８内の電圧比較器５８７の出力がハイレベルを維持することになり（図６（ｊ））、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されて警報灯９３が点灯状態を維持する。
【００４７】
（３）電機子巻線２の相間レア故障が発生した場合の動作
次に、電機子巻線２に相間レアが発生した場合の動作を説明する。
図７は、電機子巻線の相間レア故障時の電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。
【００４８】
電機子巻線２に相間レアが発生した場合の電機子巻線２の１相の出力電圧ＶP は、正常時と同じようにデューティ比が約５０％の矩形波形状を有している（図７（ａ））。そして、整流器３の直流出力信号ＶB は、正常時とは明らかに異なるリップル成分が重畳した状態となる（図７（ｂ））。この場合のリップル波形は、整流器３の出力信号の電気的な１周期中に検出可能な成分は２回しか出現しない。具体的には、リップル成分は定期的に発生しており、リップル検出器５６からは、等間隔のリップルパルスが出力される（図７（ｃ））。このように、上述したダイオード故障の場合と同様に、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスの数が少ないため、リップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９の充電が十分に行われず、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthに達する前に、分周器５７３の出力がハイレベルになってトランジスタ５７６が閉成され、コンデンサ５７９が放電されてしまう（図７（ｇ））。このため、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が放電されることがなく、このコンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を下回ることはない（図７（ｉ））。すなわち、電機子巻線２に相間レア故障が発生した場合には、異常判定器５８内の電圧比較器５８７の出力がハイレベルを維持することになり（図７（ｊ））、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されて警報灯９３が点灯状態を維持する。
【００４９】
このように、本実施形態の電圧制御装置５では、車両用交流発電機１の異常検出を行うために専用センサ等の特別な装置を備える必要がなく、所定の信号を波形整形するだけで異常検出を容易に行うことができ、早期に確実かつ高精度に異常発見を行うとともに、これに伴う早期の警報出力が可能となる。さらに、車両用交流発電機１の異常をいち早く運転者に知らせることができるため、車載機器へのダメージが進行する前に何らかの対策を講じることが可能になる。
【００５０】
また、本実施形態では、専用のタイマ回路等を用いることなくリップルを検出する期間を設定することができるとともに、回転変動の激しい車両用交流発電機１の電圧変動に追随して検出遅れを生じないようにすることが可能になる。
また、電機子巻線２を構成する多相巻線の相数をｍ、整流器３の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、所定期間内にリップルがｋｍ−ｊで表される個数以上検出できない場合に異常判定を行うことが望ましい。これにより、異常状態の判定基準の明確化が可能であり、異常状態の検出精度をさらに高めることができる。
【００５１】
なお、上述した第１の実施形態の説明では、整流器３の正極側ダイオードが故障した場合と、電機子巻線２の相間レアが発生した場合について異常発生時の動作を説明したが、それ以外の異常についても同様である。
図８は、各種の異常が発生した場合の電機子巻線２の１相の出力信号波形を示す図である。図８（ａ）には正常時の波形が、図８（ｂ）には整流器３の正極側のダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｃ）には整流器３の負極側のダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｄ）には電機子巻線２の相間レアが発生した場合の波形が、図８（ｅ）には電機子巻線２が断線した場合の波形がそれぞれ示されている。
【００５２】
図８に示すように、各種の異常が発生すると、電機子巻線２の１相の出力信号波形に含まれるリップル成分が少なくなるため、いずれの場合もリップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９はその両端電圧が閾値Ｖthを超える前に放電されてしまい、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が常に充電された状態を維持することになるため、異常判定器５８の出力がハイレベルを維持して警報灯９３が点灯状態になる。
【００５３】
また、整流器３のダイオードがオープン故障した場合も同様にしてリップル成分が不定期に発生するので、常時警報灯９３を点灯させることができるが、特に、本実施形態の整流器３のように全波整流器をツェナーダイオードで構成した場合には、オープン故障したダイオードと同じアームに接続された反対極性のダイオードが数分以内にショート故障に至ることが実験により確かめられている。したがって、ダイオードの初期故障がオープンモードであっても数分後には図５に示した過程を経て警報灯９３が点灯状態に至り、運転者に異常の発生を通知することができる。
【００５４】
また、上述した第１の実施形態では、パワートランジスタ５１の導通率に関係なく異常発生時に警報灯９３の点灯を行うようにしたが、導通率が低い場合に警報灯９３の点灯を禁止するようにしてもよい。
図９は、異常判定器の変形例を示す図である。図９に示す異常判定器５８Ａは、図４に示した異常判定器５８に対して、導通率検出手段としての導通率検出器５９４とアンド（ＡＮＤ）回路５８９を追加した点が異なっている。導通率検出器５９４は、界磁巻線４の一方端とパワートランジスタ５１とが接続されたＦ端子の信号波形を観察することによりパワートランジスタ５１の導通率を検出し、導通率が所定値を超えた場合にハイレベルの信号を出力する。導通率検出器５９４、アンド回路５８９が導通率検出手段に対応する。
【００５５】
アンド回路５８９は、電圧比較器５８７とオア回路５９５の間に挿入されており、導通率検出器５９４の出力信号に応じて、電圧比較器５８７の出力信号を導通あるいは遮断する。すなわち、パワートランジスタ５１の導通率が所定値以上になって導通率検出器５９４の出力信号がハイレベルのときのみ、電圧比較器５８７の出力信号がオア回路５９５を介して警報灯駆動トランジスタ５９に伝達される。
【００５６】
このように、異常発生時に比較的ダメージの進行が遅い低発電状態での警報を禁止することにより、警報灯駆動トランジスタ５９や警報灯９３の寿命の低下を防止することができる。
また、上述した第１の実施形態では、リップル検出器５６において、動作電圧Ｖccを抵抗５６３、５６４で分圧した固定の基準値を用い、この基準値を超える電圧成分をリップルとして検出したが、この基準値の設定については別の手法を用いてもよい。
【００５７】
図１０は、リップル検出器の変形例を示す図である。図１０に示すリップル検出器５６Ａは、図２に示したリップル検出器５６に対して、抵抗５６３、５６４によって構成される分圧回路を、抵抗５９６とコンデンサ５９８によって構成される平滑回路に置き換えた構成を有している。整流器３の出力信号に含まれるリップル成分を平均化してリップルを交流結合することにより低周波で変動する直流成分に追従した基準値が生成される。電圧比較器５６９は、リップル成分が重畳された整流器３の出力信号がこの基準値を超える場合にハイレベルとなるリップルパルスを出力する。
【００５８】
図１１は、整流器３の出力信号の具体例を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれには、パワートランジスタ５１の導通率等を可変した場合の出力信号の具体的な形状が示されている。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、横軸が時間ｔを、縦軸が出力信号の電圧を示している。また、「ＯＮ」で示された期間がパワートランジスタ５１の閉成状態に対応している。
【００５９】
また、図１１（ａ）にはパワートランジスタ５１の導通率が約５０％の場合の波形が、図１１（ｂ）にはパワートランジスタ５１の導通率が約８３％の場合の波形が示されている。これらの図に示すように、整流器３の実際の出力波形には、リップル成分とは別にパワートランジスタ５１の閉成／開成タイミングに対応したうねり成分が存在するが、図１０に示したリップル検出器５６Ａを用いることにより、確実かつ精度よくリップルを検出することができる。
【００６０】
〔第２の実施形態〕
上述した第１の実施形態では、電機子巻線２と整流器３を一組だけ備える車両用交流発電機１について説明したが、複数組の電機子巻線と整流器を備えるようにしてもよい。
【００６１】
図１２は、第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。図１２に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ａは、電機子巻線２Ａ、２Ｂ、整流器３Ａ、３Ｂ、界磁巻線４および電圧制御装置５Ａを含んで構成されている。一方の電機子巻線２Ａと一方の整流器３Ａとが組み合わされており、他方の電機子巻線２Ｂと他方の整流器３Ｂとが組み合わされている。２つの電機子巻線２Ａ、２Ｂは、互いに電気的に接続されず、しかも電気角で３０°ずれた状態で配置されている。また、２つの整流器３Ａ、３Ｂのそれそれの出力端子が共通にＢ端子および電圧制御装置５Ａに接続されている。電圧制御装置５Ａは、上述した電圧制御装置５と同じ構成（図１〜図４に示した構成）を有している。
【００６２】
図１３は、車両用交流発電機１Ａに異常がない場合における電圧制御装置５Ａの各部の動作を示すタイミング図である。図１３（ｂ）に示すように、電機子巻線２Ａ、２Ｂの直流出力信号には、それぞれの電機子巻線２Ａ、２Ｂにおいて発生するリップル成分が重畳されているため、電気的な１周期中に１２個のリップルが現れる。図１３に示すように、このリップル数が倍になるだけであり、電圧制御装置５Ａは、電圧制御装置５と同じように異常検出を行って警報灯９３を点灯させている。
【００６３】
〔第３の実施形態〕
図１４は、第３の実施形態の車両用交流発電機１Ｂの構成を示す図である。図１３に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ｂは、電機子巻線２、整流器３、界磁巻線４、電圧制御装置５Ｂを含んで構成されている。電圧制御装置５Ｂは、図１に示した車両用交流発電機１に含まれる電圧制御装置５に対して、リップル検出器５６をリップル検出器１５６に、リップルカウンタ５７をリップルカウンタ１５７、異常判定部５８を異常判定部１５８にそれぞれ置き換えた点が異なっている。
【００６４】
図１５は、リップル検出器１５６の具体的な構成を示す図である。図１５に示すリップル検出器１５６は、図１０に示したリップル検出器５６Ａの構成に対して、基準値にヒステリシス特性を持たせたシュミット回路を追加した構成を有している。このシュミット回路は、電圧比較器６０２の出力端子とマイナス端子とを抵抗６０１を介して接続することにより構成されており、所定のヒステリシス量を超えるような変動成分をパルス化する。このシュミット回路が振幅検出手段に対応する。また、シュミット回路から出力されるパルス信号は、信号線Ｌ５を介してリップルカウンタ１５７に送られる。
【００６５】
図１６は、リップルカウンタ１５７の具体的な構成を示す図である。図１６に示すリップルカウンタ１５７は、図３に示したリップルカウンタ５７の構成に対して、基本的に同じ構成をもう一組追加した構成を有している。この追加した構成によって、信号線Ｌ５を介してリップルカウンタ１５７内のシュミット回路から送られてくるパルス信号に対してパルス数のカウントが行われる。追加された構成を用いて行われるパルス数のカウント動作自体は、図３に示したリップルカウンタ５７と全く同じであり、カウントする期間や各種の素子定数のみが変更されている。
【００６６】
すなわち、上述したリップル検出器１５６が振幅の大きな周期変動成分を検出してパルス信号を出力すると、リップルカウンタ１５７はこれをカウントし、所定期間内に所定個数を超えた場合には、図５（ｈ）に示したようなハイレベルの信号が電圧比較器６９３から出力される。この信号は、信号線Ｌ６を介して異常判定器１５８に送られる。
【００６７】
図１７は、異常判定器１５８の具体的な構成を示す図である。図１７に示す異常判定器１５８は、図４に示した異常判定器５８の構成に対して、基本的に同じ構成をもう一組追加した構成を有している。この追加した構成によって、信号線Ｌ６を介して送られてくる信号に基づいて異常発生の有無を判定している。但し、この追加された構成に含まれる電圧比較器６８７は、プラス端子に閾値Ｖth２が入力されており、マイナス端子に入力されるコンデンサ６８６の両端電圧と比較するようになっている。
【００６８】
整流器３の出力信号に振幅の大きな周期変動成分が含まれる場合には、追加された構成に含まれるトランジスタ６８５が定期的に閉成されるため、コンデンサ６８６が定期的に放電される。したがって、コンデンサ６８６の両端電圧はあまり上昇せず、電圧比較器６８７の出力は常にハイレベルを維持する。このような状態において、異常発生に伴って整流器３の出力信号に含まれるリップルの数が少なくなると電圧比較器５８７の出力がハイレベルに反転するため、アンド回路６９０からはハイレベルの信号が出力される。この信号は、オア回路５８９を介して警報灯駆動トランジスタ５９に送られ、警報灯９３が点灯される。また、整流器３の出力信号に含まれるリップルの数が所定個数以上の場合には、電圧比較器５８７の出力がローレベルを維持するため、警報灯９３は点灯されない。
【００６９】
一方、整流器３の出力信号に振幅の大きな周期変動成分が含まれない場合には、異常判定器１５８内のトランジスタ６８５は開成状態を維持するため、コンデンサ６８６が十分に充電された状態にあり、電圧比較器６８７の出力はローレベルを維持し、警報灯９３は点灯しない。したがって、整流器３の出力信号に、本来のリップルに近い周波数を有し、リップルよりも振幅が大きな外乱ノイズが含まれている場合に、電圧比較器５８７から誤ってハイレベルの信号が出力されても、そのまま警報灯９３を点灯して誤警報を行ってしまう機会を低減することができる。
【００７０】
例えば、リップル検出器１５６内のシュミット回路のヒステリシス量は、点火装置の発するノイズが車両用交流発電機１ＢのＢ端子に現れる大きさよりも大きく設定されている。また、車両用交流発電機１Ｂの出力系統（電機子巻線２や整流器３等）に異常が発生すると、このようにして設定したシュミット回路のヒステリシス量よりも明らかに大きなリップル成分が発生するため、このリップル成分が検出されて警報が行われる。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した各実施形態では、アナログ回路を用いた事例を示しているが、同等の機能をデジタル回路で実現することも可能である。さらに、上述した各実施形態では、ツェナーダイオードを用いて整流器を構成する場合について説明したが、通常のダイオードを用いて整流器を構成するようにしてもよい。
【００７２】
また、上述した各実施形態において、整流器３等の直流出力電圧の平均値を検出し、この値が所定値以上の場合に、警報を行わないようにしてもよい。すなわち、異常発生時にはバッテリを十分に充電できずにバッテリ電圧が徐々に低下するはずであり、このような現象が現れない場合に警報を禁止することで、誤警報を防止することが可能になる。具体的には、異常判定器５８等の内部あるいは外部に、整流器３の出力電圧を平均化する平均電圧検出回路（平均電圧検出手段）を設け、出力電圧の平均値が所定値よりも小さい場合にハイレベルの信号を出力するようにする。さらにアンド回路等を設けることにより、平均電圧検出回路の出力がハイレベルの場合に限って、警報用駆動トランジスタ５９を駆動すればよい。
【００７３】
また、上述した各実施形態では、警報灯９３を用いて異常の発生を運転者に通知するようにしたが、代わりにアラームやブザー等の音響装置を用いたり、運転座席に埋設された振動子を振動させる等の方法で異常の発生を運転者に通知するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図２】リップル検出器の具体的な構成を示す図である。
【図３】リップルカウンタの具体的な構成を示す図である。
【図４】異常判定器の具体的な構成を示す図である。
【図５】車両用交流発電機に異常がない場合の正常時における電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図６】正極側ダイオードがショートした場合の電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図７】電機子巻線の相間レア故障時の電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図８】各種の異常が発生した場合の電機子巻線の１相の出力信号波形を示す図である。
【図９】異常判定器の変形例を示す図である。
【図１０】リップル検出器の変形例を示す図である。
【図１１】整流器の出力信号の具体例を示す図である。
【図１２】第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示した車両用交流発電機に異常がない場合における電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図１４】第３の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図１５】リップル検出器の具体的な構成を示す図である。
【図１６】リップルカウンタの具体的な構成を示す図である。
【図１７】異常判定器の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 電機子巻線
３ 整流器
４ 界磁巻線
５、５Ａ、５Ｂ 電圧制御装置
５１ パワートランジスタ
５２ 還流ダイオード
５３ 主電源回路
５４ フィルタ装置
５５ 電圧比較器
５６ リップル検出器
５７ リップルカウンタ
５８ 異常判定器
５９ 警報灯駆動トランジスタ
９３ 警報灯
【発明の属する技術分野】
本発明は、乗用車やトラック等に搭載される車両用発電機の異常を検出する車両用交流発電機の異常検出装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現代の自動車は、社会のニーズに応えるために、年々様々な電気装置が開発されて搭載されており、電気使用量は増加の一途をたどっている。これらの電力需要に応えるべく車両用交流発電機も年々小型高出力化を実現しながら進歩している。このような車両用交流発電機が高出力化すればするほど、その異常発生時の影響は大きくなる傾向にある。したがって、車両用交流発電機の異常を早期に検出して運転者にいち早く警報する必要が生じている。
【０００３】
一般に、車両用交流発電機は、回転磁束発生源となる界磁鉄心を磁化するための界磁巻線を備えており、この界磁巻線の導通率を制御しながら出力電圧の制御を実施している。このような車両用交流発電機の異常検出は、古くから実施されている。例えば、車載のバッテリ電圧の検出レベルと界磁巻線の導通率との関係等が、本来あるべき適正値から外れていることを検出したときに異常であると判断する従来の異常判定装置が知られている。しかし、このような異常判定装置では、異常検出の信頼性が低く、車両用交流発電機が完全に発電機能不良に至らないと異常検出を行うことができなかった。
【０００４】
また、その他の従来技術としては、特開平８−６５９１４号公報に開示された「車両用交流発電機の制御装置」や、米国特許公報第４２４２６７４号に開示された「オルタネータ異常警報表示装置」が知られている。特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、車両用交流発電機に含まれる電機子巻線に現れる出力波形のデューティ比を検出して異常判定を行っている。また、米国特許公報第４２４２６７４号公報に開示された異常警報表示装置では、直流出力電圧のリップルの波高値を検出し、所定値以上のリップルが出現した場合に車両用交流発電機の異常判定を行っている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、整流ダイオードの破損に起因する異常発生時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化するため、異常検出を行うことが可能であるが、電機子巻線の相内あるいは相間レアなどの異常発生時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化しないため、この種の異常を検出することができなという問題があった。
【０００６】
図８は、車両用交流発電機の各部分に異常が発生した場合の電機子巻線の波形を示す図である。図８（ａ）には正常時の波形が、図８（ｂ）には正極側ダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｃ）には負極側ダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｄ）には電機子巻線の相間レアが生じた場合の波形が、図８（ｅ）には電機子巻線が断線した場合の波形がそれぞれ示されている。
【０００７】
これらの波形からわかるように、ダイオードに異常が発生した場合には、明らかに電機子巻線の出力電圧のデューティ比が変化する（例えば正常時の５０％が正極側ダイオードショート時に約６７％に、負極側ダイオードショート時約３３％にそれぞれ変化する）。これに対し、電機子巻線の故障時には、電機子巻線の出力電圧のデューティ比はほぼ５０％を維持するため、特開平８−６５９１４号公報に開示された制御装置では、このような電機子巻線の故障を検出することはできない。
【０００８】
また、最近では、低騒音化に対応して、図１２に示すような２組の電機子巻線と整流器を備える車両用交流発電機が普及しているが、このような車両用交流発電機の場合には、一方の組の整流ダイオードの破損時のデューティ比の変化は、他方の電機子巻線の出力電圧には現れないことが判明した。例えば、異常検出機能を備え電圧制御装置に電機子巻線の出力を整流する一方の整流器を構成するいずれかのダイオードが故障した場合には、上述した特開平８−６５９１４号公報に開示された技術を用いることにより異常検出を行うことが可能であるが、他方の整流器を構成するダイオードに故障が発生しても電機子巻線の出力電圧には大きな変化が現れない。すなわち、電圧制御装置に接続されない側の整流器の異常検出は不可能である。
【０００９】
このため、両方の整流器の異常を検出するためには、両方の電機子巻線の出力電圧を検出する必要があるが、制御回路への入力端子の増加による構造の複雑化や、接続信頼性の低下を招くという弊害がある。
また、このような弊害を引き起こさない工夫がなされた米国特許第４２４２６７４号においても、以下の問題があることが明らかになった。
【００１０】
すなわち、航空機用の発電機のように駆動回転数がほぼ一定で、電気負荷の変動も少ないような発電機においては米国特許第４２４２６７４号の技術は極めて有効であるが、自動車の走行用エンジンにて駆動される発電機は常に回転数が変動しており、リップル成分の振幅も常に変動する。また、信号待ち等で減速、停止する過程において常にブレーキランプが点灯するので電気負荷の変動も極めて激しい。さらに、使用耐用年数の割にメインテナンス期間が比較的長いという特徴を有することも検出精度低下の原因の一つと考えられる。このような使用環境の車両用交流発電機の出力電圧のリップル成分の電圧レベルのみで、異常の検出を行うことは極めて困難であることが発明者等の研究によって明らかになった。
【００１１】
このような不都合を回避するために、米国特許第４３１５２０４号では、車両用交流発電機のリップル検出手段が用いられている。しかしながら、リップル振幅のみの検出では真の異常を判定することができないため、他の幾つかの検出手段を有しており、極めて複雑で大規模な構成になってしまい、実用化には至っていない。
【００１２】
さらに、米国特許第４１７８５４６号では、発電機の直流出力電圧のリップルの周波数を検出し、この周波数が所定値でない場合に異常であると判定する技術が開示されている。しかし、発電機の駆動回転数に依存するリップル周波数の検出は、常時回転変動しているエンジンで駆動される発電機においては極めて困難である。例えば、米国特許第４１７８５４６号では、トラッキングフィルタが必要になるが、このトラッキングフィルタは、発電機の電圧制御装置内に実装するには規模が大きすぎる。
【００１３】
また、発電機の出力電流を直接検波する方法も様々なものが考えられるが、ある程度の反応速度と検出精度を兼ね備えるセンサを装備する必要があるため、コスト面から採用が難しい。
本発明は、このような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、車両用交流発電機の異常状態を特別な装置やセンサなどを使用することなく、確実かつ高精度に検出することができる車両用交流発電機の異常検出装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するために、本発明の車両用交流発電機の異常検出装置は、異常判定手段および警報出力手段を備えている。異常判定手段は、車両用交流発電機の整流器の出力電圧に含まれるリップルを検出するとともに、車両用交流発電機の発電動作の基本周期に対応する所定期間内にリップルが所定個数以上検出できない場合に、車両用交流発電機に異常があるものとして異常判定を行う。警報出力手段は、異常判定手段によって異常判定がなされたときに所定の警報信号を出力する。これにより、車両用交流発電機の異常検出を行うために専用センサ等の特別な装置を備える必要がなく、従来の車両用交流発電機の電圧制御装置が検出している信号を波形整形するだけで容易に実現することができ、早期に確実かつ高精度に異常発見を行うとともに、これに伴う早期の警報出力が可能となる。さらに、車両用交流発電機の異常をいち早く運転者に知らせることができるため、車載機器へのダメージが進行する前に何らかの対策を講じることが可能になる。
【００１５】
また、上述した異常判定手段は、車両用交流発電機の電機子を構成する多相巻線の少なくとも１相の出力電圧の半周期あるいは１周期の整数倍の期間を所定期間として前記異常判定を行うことが望ましい。これにより、専用のタイマ回路等を用いることなくリップルを検出する期間を設定することができるとともに、回転変動の激しい車両用交流発電機の電圧変動に追随して検出遅れを生じないようにすることが可能になる。
【００１６】
また、多相巻線の相数をｍ、整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、上述した異常判定手段は、所定期間内に、リップルがｋｍ−ｊで表される個数以上検出できない場合に異常判定を行うことが望ましい。これにより、異常状態の判定基準の明確化が可能であり、異常状態の検出精度をさらに高めることができる。
【００１７】
また、車両用交流発電機の界磁巻線の通電を遮断するスイッチ手段の導通率を検出する導通率検出手段をさらに備えるとともに、多相巻線の相数をｍ、整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、上述した警報出力手段は、導通率が（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍで表される値よりも小さい場合に、警報信号の出力を停止することが望ましい。これにより、比較的発電量が少ない状態では車両用交流発電機や車載機器に対するダメージの進行が少ないため、このような状況での異常警報を禁止することにより頻繁な警報動作を回避し、警報装置の寿命低下を防止することができる。
【００１８】
また、異常を検出すべき期間においてスイッチ手段の断続に起因する出力電圧の変動の影響が少なくなるので、簡単なフィルタによりリップル成分を容易に検出することができる。
例えば、図１１（ａ）、（ｂ）は、ｍ＝３、ｊ＝１、ｋ＝１として導通率を変化させた場合の出力波形を示す図であり、それぞれ導通率が約５０％と約８３％の場合が示されている。図１１（ａ）に示すように、導通率が小さい場合には、点線で示すように、整流作用に起因する電圧変動よりもスイッチ手段の断続に起因する電圧変動の方が大きくなる。スイッチ手段の断続による電圧変動の振幅は、車両用交流発電機の時定数、特に界磁巻線の時定数に深く関係していることが知られており、導通率が５０％程度のときに最も大きくなる。これに対し、図１１（ｂ）に示すように、導通率が大きい場合には、点線で示すように、スイッチ手段の断続に起因する電圧変動が小さくなる。
【００１９】
リップル成分を単なる交流結合フィルタで検出しようとする場合に、このスイッチ手段の断続による電圧変動にリップル成分が埋もれてしまうと正確なリップル検出を行うことができない。ところが、導通率が小さい場合あるいは大きい場合には、スイッチ手段の断続による電圧変動は小さくなり、リップルが交流結合フィルタのみで容易に検出可能となる。
【００２０】
今仮に、導通率が小さい場合に車両用交流発電機が故障した場合を想定する。この場合には発電能力が一気に低下するので、車載のバッテリ電圧が低下する。このとき、車両用交流発電機の電圧制御装置は、バッテリ電圧の低下を検出してスイッチ手段の導通率を直ちに増大させて発電量を維持するような制御を行うので、必然的に導通率は高く維持される。したがって、車両用交流発電機の異常検出を、スイッチ手段の導通率が比較的高いときに限って実施するようにすれば、簡単なフィルタのみでリップルを検出することできることが発明者等の研究で明らかになった。また、その導通率は、（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍで表される値以上に設定すれば十分であることがわかった。
【００２１】
図１１（ｃ）では、図１１（ｂ）に対して、車両用交流発電機の回転数が２倍になった場合、あるいは図１１（ｂ）の場合と同じ回転数であってｍ＝６、ｊ＝２、ｋ＝１とした場合に相当する電圧波形を示している。リップル成分の周波数は、車両用交流発電機の回転数に比例して増大する。また、整流器の数ｊにも比例して増大する。しかし、スイッチ手段の導通率の周期は、これら回転数や整流器の数に依存しない一定値である。したがって、異常検出の導通率の下限値を、（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍと設定することで、最もリップル周波数の低いアイドリング状態においても十分に異常検出を行うことが可能であることも明らかになっている。
【００２２】
また、逆方向降伏特性を備えるダイオードを少なくとも一つ含んで整流器が構成されている車両用交流発電機について、異常の検出を行うことが望ましい。このような構成を有する車両用交流発電機においてはツェナーダイオードが最も破損に至りやすく、一旦破損すると、車両用交流発電機の他の部分へのダメージの波及が著しいことが知られている。このため、このような構成を有する車両用交流発電機に、本発明の異常検出装置を組み合わせて用いることにより、車両用交流発電機の異常を検出して大きなダメージの進行を有効に防止することが可能となる。
【００２３】
また、互いに電気的に接続されていない複数の多相巻線と、これら複数の多相巻線のそれぞれの交流出力を独立して整流する複数の整流器を含んで構成される車両用交流発電機について、異常の検出を行うことが望ましい。このような構成を有する車両用交流発電機に対しても、異常検出装置の数を増やすことなく異常検出を行うことが可能になるため、装置の小型化や実装の容易化を図ることができる。
【００２４】
また、上述した異常判定手段は、整流器の出力電圧から高調波成分を除去した後の平均電圧と出力電圧とを比較することにより、異常判定を行うことが望ましい。これにより、出力電圧にうねり成分が存在する場合であっても、リップル成分を高い精度で検出することができる。
【００２５】
また、整流器の出力電圧の振幅を検出する振幅検出手段をさらに備えるとともに、振幅検出手段によって検出された出力電圧の振幅が所定値以下の場合に警報出力手段による警報信号の出力を停止することが望ましい。これにより、整流器の出力電圧の振幅が所定値以下の場合には異常警報が行われないため、車両用交流発電機が正常動作しているにもかかわらず、外部の電気機器から侵入するノイズ成分に対応して誤警報することを防止することができる。
【００２６】
特に、近年、電磁騒音が大幅に低減された車両用交流発電機においては、整流後のリップルが極端に小さくなっているので、電気負荷量が小さく、回転数が低い場合において、リップルの検出そのものが困難になり、他の機器、例えば点火装置の発生するノイズの方が大きくなるという現象が懸念される。また、車両用交流発電機からバッテリまでの電気的距離、すなわち電力供給線のインダクタンスが小さい場合においてもリップルの振幅が小さくなる。近年の小型車において特にこのような傾向が強い。ところが、本発明の異常検出装置を用いれば、このようなリップルが小さな環境下において他の電気機器が発するノイズに誤反応しても誤警報してしまうことを防止することができる。
【００２７】
また、整流器の出力電圧の平均電圧を検出する平均電圧検出手段をさらに備えるとともに、平均電圧検出手段によって検出された平均電圧が所定値以上の場合に警報出力手段による警報信号の出力を停止することが望ましい。異常発生時にはバッテリを十分に充電できずにバッテリ電圧が徐々に低下する。一方で、故障が軽微な場合には、バッテリを充電するだけの余力があるため電圧は下がらず、ダメージが進行しないので故障とは判定しないようにする。このようにすることで、誤警報を防止することが可能になる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した一実施形態の車両用交流発電機について、図面を参照しながら詳細に説明する。
〔第１の実施形態〕
図１は、本発明を適用した第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図であり、あわせてこの車両用交流発電機とバッテリや警報灯との接続状態が示されている。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１は、電機子巻線２、整流器３、界磁巻線４および電圧制御装置５を含んで構成されている。電機子巻線２は、多相巻線（例えば三相巻線）からなっており、誘起される交流出力が整流器３に供給される。整流器３は、電機子巻線２の交流出力を直流出力に整流する全波整流回路であり、逆方向降伏特性を有するツェナーダイオードによって構成されている。界磁巻線４は、電機子巻線２に電圧を誘起させるための鎖交磁束を発生させるために、励磁電流を流して界磁を形成する。電圧制御装置５は、この車両用交流発電機１の出力電圧を所定の調整電圧Ｖreg に制御する。この電圧制御装置５は、車両用交流発電機１に異常が発生したときに、警報灯９３を点灯させて運転者に異常発生を知らせる異常検出装置としての機能を有している。
【００３０】
車両用交流発電機１は、Ｂ端子（出力端子）が電力供給線９を介して車載のバッテリ９１に、ＩＧ端子がキースイッチ９２に、Ｌ端子が警報灯９３にそれぞれ接続されている。
また、電圧制御装置５は、パワートランジスタ５１、還流ダイオード５２、主電源回路５３、フィルタ装置５４、電圧比較器５５、リップル検出器５６、リップルカウンタ５７、異常判定器５８、警報灯駆動トランジスタ５９を備えている。リップル検出器５６、リップルカウンタ５７、異常判定器５８が異常判定手段に、警報灯駆動トランジスタ５９が警報出力手段にそれぞれ対応する。
【００３１】
パワートランジスタ５１は、界磁巻線４に対して直列に接続されており、この界磁巻線４に流れる励磁電流を断続制御するスイッチ手段である。還流ダイオード５２は、界磁巻線４に対して並列に接続されており、パワートランジスタ５１が開成時に励磁電流を還流させる。主電源回路５３は、キースイッチ９２の投入を検出したときに、バッテリ９１から印加されるバッテリ電圧に基づいて、電圧制御装置５が動作するために必要な駆動電圧Ｖccを生成する。フィルタ装置５４は、整流器３の出力電圧に重畳する高調波ノイズを吸収する。
【００３２】
電圧比較器５５は、フィルタ装置５４の出力電圧と調整電圧Ｖreg を比較し、フィルタ装置５４の出力電圧の方が調整電圧Ｖreg よりも低い場合に出力をハイレベルにする。電圧比較器５５の出力端子はパワートランジスタ５１のゲートに接続されており、フィルタ装置５４の出力電圧の方が調整電圧Ｖreg よりも低くて電圧比較器５５の出力がハイレベルになるとパワートランジスタ５１が閉成する。
【００３３】
リップル検出器５６は、整流器３の出力電圧に重畳するリップル成分を検出する。リップルが検出されると、リップル検出器５６からは、その都度検出信号が出力される。この検出信号は、信号線Ｌ１を介してリップルカウンタ５７に送られる。リップルカウンタ５７は、リップル検出器５６から信号線Ｌ１を経由して送られてくる検出信号の数を、信号線Ｌ２を介して入力される電機子巻線２の１相の電圧に基づいて設定された所定期間内にカウントする。このカウント結果は、信号線Ｌ３を介して異常判定器５８に送られる。
【００３４】
異常判定器５８は、リップルカウンタ５７から送られてくるカウント結果に基づいて、車両用交流発電機１に異常があるか否かを判定する。異常ありの場合には、異常判定器５８は、信号線Ｌ４を介して接続されている警報灯駆動トランジスタ５９を閉成して、警報灯９３を点灯させる。
【００３５】
図２は、リップル検出器５６の具体的な構成を示す図である。図２に示すリップル検出器５６は、６つの抵抗５６１〜５６６、コンデンサ５６７、ダイオード５６８、電圧比較器５６９を含んで構成されている。このリップル検出器５６は、車両用交流発電機１の出力信号に重畳するリップル成分を交流結合して抽出した後パルス化する処理を行っている。コンデンサ５６７、抵抗５６２、ダイオード５６８によって高域通過型のフィルタ部が形成されており、このフィルタ部から電圧比較器５６９のプラス端子に向けて、整流器３の出力信号から直流成分を除去した後のリップル成分のみが入力される。抵抗５６１、５６２によって適当なバイアス電圧が生成されており、フィルタ部から出力されるリップル成分のみの信号にこのバイアス電圧が加算された電圧が、抵抗５６５を介して電圧比較器５６９のプラス端子に印加される。また、抵抗５６３、５６４によって電源電圧Ｖccが分圧された所定の基準電圧が抵抗５６６を介して電圧比較器５６９のマイナス端子に印加されている。この基準電圧はリップルに加算されるバイアス電圧よりも若干高い値に設定されており、電圧比較器５６９は、リップル成分に対応したパルス信号を生成して出力する。
【００３６】
図３は、リップルカウンタ５７の具体的な構成を示す図である。図３に示すリップルカウンタ５７は、インバータ回路５７１、２つの分周器５７２、５７３、オア（ＯＲ）回路５７４、２つのトランジスタ５７５、５７６、抵抗５７７、コンデンサ５７８、２つのダイオード５９１、５９２、電圧比較器５９３を含んで構成されている。縦続接続された２つの分周器５７２、５７３は、信号線Ｌ２を介して入力される電機子巻線２の１相の出力信号ＶP を分周することにより、リップルパルスの数をカウントする際の所定期間信号を生成する。オア回路５７４には、前段の分周器５７２の出力信号と、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスをインバータ回路５７１で反転させた信号とが入力されており、これらの信号がともにローレベルのときにトランジスタ５７５が開成される。２つのトランジスタ５７５、５７６は、コンデンサ５７８、５７９とダイオード５９１、５９２によって構成される電荷移送回路によって結合されている。後段のトランジスタ５７６の開成時に、前段のトランジスタ５７５が開成されると主電源回路５３から流れ込む電荷が上述した電荷移送回路を介してコンデンサ５７９に蓄えられ、コンデンサ５７９の両端電圧が上昇する。一方、前段のトランジスタ５７５が閉成されると、主電源回路５３から流れ込む電荷がこのトランジスタ５７５を介して接地側に流れるため、コンデンサ５７９の充電動作は停止される。また、後段のトランジスタ５７６が閉成されると、コンデンサ５７９に蓄えられた電荷が放電される。また、電圧比較器５９３は、プラス端子にコンデンサ５７９の両端電圧が印加され、マイナス端子に所定の閾値Ｖthが印加されており、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthを超えたときにハイレベルの信号を出力する。
【００３７】
図４は、異常判定器５８の具体的な構成を示す図である。図４に示す異常判定器５８は、４つの抵抗５８１〜５８４、トランジスタ５８５、コンデンサ５８６、電圧比較器５８７、異常検出器５８８、オア回路５８９を含んで構成されている。リップルカウンタ５７から出力される信号が抵抗５８１を介してトランジスタ５８５のベースに入力される。また、コンデンサ５８６は、一方端が接地されており、他方端が抵抗５８４を介して主電源回路５３に接続されているとともにトランジスタ５８５のコレクタと抵抗５８３を介して接続されている。
【００３８】
リップルカウンタ５７の出力信号がローレベルの場合にはトランジスタ５８５が開成されるため、主電源回路５３から流れ込む電荷によってコンデンサ５８６が充電され、その両端電圧が上昇する。一方、リップルカウンタ５７の出力信号がハイレベルの場合にはトランジスタ５８５が閉成されるため、コンデンサ５８６に蓄えられた電荷がトランジスタ５８５を介して放電される。電圧比較器５８７は、プラス端子にコンデンサ５８６の両端電圧が印加され、マイナス端子に所定の閾値Ｖth２が印加されており、コンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を超えたときにハイレベルの信号を出力する。電圧比較器５８７の出力信号はオア回路５８９を介して警報灯駆動トランジスタ５９に送られる。なお、異常検出器５８８は、リップル信号を用いた本発明の手法以外の方法を用いて車両用交流発電機１の異常を検出するためのものであり、励磁回路系統の異常や電力供給線系統の異常等が検出されたときにハイレベルの信号を出力する。
【００３９】
本実施形態の車両用交流発電機１に含まれる電圧制御装置５はこのような構成を有しており、次にその動作を説明する。
（１）正常時の動作
図５は、車両用交流発電機１に異常がない場合の正常時における電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。なお、図５〜図８において用いられた符号は、図２等において示した構成図内で用いた符号に対応している。
【００４０】
正常時の電機子巻線２の１相の出力信号ＶP は、正の半周期にリップル成分が重畳したデューティ比が約５０％の矩形波形状を有している（図５（ａ））。また、整流器３の直流出力信号ＶB には、鋸波状のリップル成分が重畳している（図５（ｂ））。正常時のリップルは、電機子巻線２がｍ相であってこの出力電圧を全波整流する場合には、電気的な１周期（電機子巻線２の出力電圧の１周期に相当する）中に２ｍ個の波形が現れる。このリップル成分を含む直流信号をリップル検出器５６に通すことにより、リップルの数に等しいパルス列（リップルパルス）が生成される（図５（ｃ））。
【００４１】
また、リップルカウンタ５７内では、図５（ａ）に示した電機子巻線２の１相の出力信号ＶP を１／２分周した信号Ｐ１が前段の分周器５７２から出力される（図５（ｄ））。オア回路５７４は、この信号Ｐ１と、リップル検出器５６から信号線Ｌ１を介して入力されるリップルパルスとが入力されており、これら２つの信号の論理和信号をトランジスタ５７５のベースに入力する。したがって、分周器５７２の出力がハイレベルのとき、あるいは、リップル検出器５６から入力されるリップルパルスを反転した信号がハイレベルのときに、オア回路５７４から出力される論理和信号がハイレベルになって、トランジスタ５７５が閉成される。反対に、分周器５７２の出力がローレベルであり、かつ、リップルパルスがハイレベルのときに、トランジスタ５７５が開成される（図５（ｆ））。トランジスタ５７５の閉成時には、主電源回路５３からの電荷は全てトランジスタ５７５のコレクタ・エミッタ間を通って接地側に流れ込んでしまうが、トランジスタ５７５の開成時には、この電荷がコンデンサ５７８、ダイオード５９１、５９２によって構成される電荷移送回路を通してコンデンサ５７９に蓄積される。この蓄積電荷ｑ２は、トランジスタ５７６が開成している間（図５（ｅ））、リップルパルス発生毎に蓄積され続け、コンデンサ５７９の両端電圧が徐々に上昇する（図５（ｇ））。そして、リップルパルスが所定個数以上入力（検出）されると、コンデンサ５７９の両端電圧が所定の閾値Ｖthを超えるので、電圧比較器５９３の出力信号がハイレベルに変化する（図５（ｈ））。この電圧比較器５９３の出力信号は、信号線Ｌ３を介して異常判定器５８に入力される。
【００４２】
異常判定器５８では、リップルカウンタ５７の出力信号がハイレベルのときにトランジスタ５８５が閉成され、コンデンサ５８６に蓄積された電荷が抵抗５８３を介して放電される。また、トランジスタ５８５が開成時には、電源電圧Ｖccが抵抗５８４を介してコンデンサ５８６に印加されるためコンデンサ５８６が充電される。これらの抵抗５８４、５８３は、コンデンサ５８６の充放電の時定数を決定するものであり、充電時定数に対して放電時定数を十分に小さくしておく必要がある。例えば、（抵抗５８４の抵抗値）／（抵抗５８３の抵抗値）を１００〜１０００程度に設定することが望ましい。
【００４３】
このように設定することにより、コンデンサ５８６の両端電圧ＶC3は、正常時には、閾値Ｖthに達する前（時刻ｔ２）に、閉成されたトランジスタ５８５によって放電されるため（図５（ｉ））、電圧比較器５８７の出力信号（ＣＯ4 ）はローレベルを維持する（図５（ｊ））。したがって、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されることはなく、警報灯９３は点灯しない。
【００４４】
その後、時刻ｔ３において後段の分周器５７３の出力信号がローレベルの状態からハイレベルの状態に反転すると、リップルカウンタ５７内のトランジスタ５７６が閉成されるため（図５（ｅ））、コンデンサ５７９が放電されてリップルカウンタ５７の出力がローレベルになり、再び分周器５７３の出力信号がローレベルの状態に戻るまでリップルカウンタ５７の出力がローレベルを維持する。
【００４５】
（２）整流器３の正極側ダイオードにショート故障が発生した場合の動作
次に、整流器３の正極側ダイオードがショートした場合に動作を説明する。
図６は、正極側ダイオードがショートした場合の電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。
【００４６】
正極側ダイオードがショートした場合の電機子巻線２の１相の出力信号ＶP は、正電位の期間が長くなってデューティ比が約６７％の矩形波形状を有している（図６（ａ））。そして、整流器３の直流出力信号ＶB は、正常時とは明らかに異なるリップル成分が重畳した状態となる（図６（ｂ））。この場合のリップル波形は、整流器３の出力信号の電気的な１周期中に検出可能な成分は２回しか現れず、リップル成分を検出することができない期間も存在する（図６（ｃ）の時刻ｔ４〜ｔ５）。このように、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスの数が少なく、リップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９の充電が十分に行われない。したがって、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthに達する前に、分周器５７３の出力がハイレベルになってトランジスタ５７６が閉成され、コンデンサ５７９が放電されてしまう（図６（ｇ））。このため、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が放電されることがなく、このコンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を下回ることはない（図６（ｉ））。すなわち、整流器３の正極側ダイオードがショートした場合には、異常判定器５８内の電圧比較器５８７の出力がハイレベルを維持することになり（図６（ｊ））、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されて警報灯９３が点灯状態を維持する。
【００４７】
（３）電機子巻線２の相間レア故障が発生した場合の動作
次に、電機子巻線２に相間レアが発生した場合の動作を説明する。
図７は、電機子巻線の相間レア故障時の電圧制御装置５の各部の動作を示すタイミング図である。
【００４８】
電機子巻線２に相間レアが発生した場合の電機子巻線２の１相の出力電圧ＶP は、正常時と同じようにデューティ比が約５０％の矩形波形状を有している（図７（ａ））。そして、整流器３の直流出力信号ＶB は、正常時とは明らかに異なるリップル成分が重畳した状態となる（図７（ｂ））。この場合のリップル波形は、整流器３の出力信号の電気的な１周期中に検出可能な成分は２回しか出現しない。具体的には、リップル成分は定期的に発生しており、リップル検出器５６からは、等間隔のリップルパルスが出力される（図７（ｃ））。このように、上述したダイオード故障の場合と同様に、リップル検出器５６から出力されるリップルパルスの数が少ないため、リップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９の充電が十分に行われず、コンデンサ５７９の両端電圧が閾値Ｖthに達する前に、分周器５７３の出力がハイレベルになってトランジスタ５７６が閉成され、コンデンサ５７９が放電されてしまう（図７（ｇ））。このため、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が放電されることがなく、このコンデンサ５８６の両端電圧が閾値Ｖth２を下回ることはない（図７（ｉ））。すなわち、電機子巻線２に相間レア故障が発生した場合には、異常判定器５８内の電圧比較器５８７の出力がハイレベルを維持することになり（図７（ｊ））、警報灯駆動トランジスタ５９が閉成されて警報灯９３が点灯状態を維持する。
【００４９】
このように、本実施形態の電圧制御装置５では、車両用交流発電機１の異常検出を行うために専用センサ等の特別な装置を備える必要がなく、所定の信号を波形整形するだけで異常検出を容易に行うことができ、早期に確実かつ高精度に異常発見を行うとともに、これに伴う早期の警報出力が可能となる。さらに、車両用交流発電機１の異常をいち早く運転者に知らせることができるため、車載機器へのダメージが進行する前に何らかの対策を講じることが可能になる。
【００５０】
また、本実施形態では、専用のタイマ回路等を用いることなくリップルを検出する期間を設定することができるとともに、回転変動の激しい車両用交流発電機１の電圧変動に追随して検出遅れを生じないようにすることが可能になる。
また、電機子巻線２を構成する多相巻線の相数をｍ、整流器３の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、所定期間内にリップルがｋｍ−ｊで表される個数以上検出できない場合に異常判定を行うことが望ましい。これにより、異常状態の判定基準の明確化が可能であり、異常状態の検出精度をさらに高めることができる。
【００５１】
なお、上述した第１の実施形態の説明では、整流器３の正極側ダイオードが故障した場合と、電機子巻線２の相間レアが発生した場合について異常発生時の動作を説明したが、それ以外の異常についても同様である。
図８は、各種の異常が発生した場合の電機子巻線２の１相の出力信号波形を示す図である。図８（ａ）には正常時の波形が、図８（ｂ）には整流器３の正極側のダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｃ）には整流器３の負極側のダイオードがショートした場合の波形が、図８（ｄ）には電機子巻線２の相間レアが発生した場合の波形が、図８（ｅ）には電機子巻線２が断線した場合の波形がそれぞれ示されている。
【００５２】
図８に示すように、各種の異常が発生すると、電機子巻線２の１相の出力信号波形に含まれるリップル成分が少なくなるため、いずれの場合もリップルカウンタ５７内のコンデンサ５７９はその両端電圧が閾値Ｖthを超える前に放電されてしまい、異常判定器５８内のコンデンサ５８６が常に充電された状態を維持することになるため、異常判定器５８の出力がハイレベルを維持して警報灯９３が点灯状態になる。
【００５３】
また、整流器３のダイオードがオープン故障した場合も同様にしてリップル成分が不定期に発生するので、常時警報灯９３を点灯させることができるが、特に、本実施形態の整流器３のように全波整流器をツェナーダイオードで構成した場合には、オープン故障したダイオードと同じアームに接続された反対極性のダイオードが数分以内にショート故障に至ることが実験により確かめられている。したがって、ダイオードの初期故障がオープンモードであっても数分後には図５に示した過程を経て警報灯９３が点灯状態に至り、運転者に異常の発生を通知することができる。
【００５４】
また、上述した第１の実施形態では、パワートランジスタ５１の導通率に関係なく異常発生時に警報灯９３の点灯を行うようにしたが、導通率が低い場合に警報灯９３の点灯を禁止するようにしてもよい。
図９は、異常判定器の変形例を示す図である。図９に示す異常判定器５８Ａは、図４に示した異常判定器５８に対して、導通率検出手段としての導通率検出器５９４とアンド（ＡＮＤ）回路５８９を追加した点が異なっている。導通率検出器５９４は、界磁巻線４の一方端とパワートランジスタ５１とが接続されたＦ端子の信号波形を観察することによりパワートランジスタ５１の導通率を検出し、導通率が所定値を超えた場合にハイレベルの信号を出力する。導通率検出器５９４、アンド回路５８９が導通率検出手段に対応する。
【００５５】
アンド回路５８９は、電圧比較器５８７とオア回路５９５の間に挿入されており、導通率検出器５９４の出力信号に応じて、電圧比較器５８７の出力信号を導通あるいは遮断する。すなわち、パワートランジスタ５１の導通率が所定値以上になって導通率検出器５９４の出力信号がハイレベルのときのみ、電圧比較器５８７の出力信号がオア回路５９５を介して警報灯駆動トランジスタ５９に伝達される。
【００５６】
このように、異常発生時に比較的ダメージの進行が遅い低発電状態での警報を禁止することにより、警報灯駆動トランジスタ５９や警報灯９３の寿命の低下を防止することができる。
また、上述した第１の実施形態では、リップル検出器５６において、動作電圧Ｖccを抵抗５６３、５６４で分圧した固定の基準値を用い、この基準値を超える電圧成分をリップルとして検出したが、この基準値の設定については別の手法を用いてもよい。
【００５７】
図１０は、リップル検出器の変形例を示す図である。図１０に示すリップル検出器５６Ａは、図２に示したリップル検出器５６に対して、抵抗５６３、５６４によって構成される分圧回路を、抵抗５９６とコンデンサ５９８によって構成される平滑回路に置き換えた構成を有している。整流器３の出力信号に含まれるリップル成分を平均化してリップルを交流結合することにより低周波で変動する直流成分に追従した基準値が生成される。電圧比較器５６９は、リップル成分が重畳された整流器３の出力信号がこの基準値を超える場合にハイレベルとなるリップルパルスを出力する。
【００５８】
図１１は、整流器３の出力信号の具体例を示す図である。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のそれぞれには、パワートランジスタ５１の導通率等を可変した場合の出力信号の具体的な形状が示されている。図１１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）において、横軸が時間ｔを、縦軸が出力信号の電圧を示している。また、「ＯＮ」で示された期間がパワートランジスタ５１の閉成状態に対応している。
【００５９】
また、図１１（ａ）にはパワートランジスタ５１の導通率が約５０％の場合の波形が、図１１（ｂ）にはパワートランジスタ５１の導通率が約８３％の場合の波形が示されている。これらの図に示すように、整流器３の実際の出力波形には、リップル成分とは別にパワートランジスタ５１の閉成／開成タイミングに対応したうねり成分が存在するが、図１０に示したリップル検出器５６Ａを用いることにより、確実かつ精度よくリップルを検出することができる。
【００６０】
〔第２の実施形態〕
上述した第１の実施形態では、電機子巻線２と整流器３を一組だけ備える車両用交流発電機１について説明したが、複数組の電機子巻線と整流器を備えるようにしてもよい。
【００６１】
図１２は、第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。図１２に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ａは、電機子巻線２Ａ、２Ｂ、整流器３Ａ、３Ｂ、界磁巻線４および電圧制御装置５Ａを含んで構成されている。一方の電機子巻線２Ａと一方の整流器３Ａとが組み合わされており、他方の電機子巻線２Ｂと他方の整流器３Ｂとが組み合わされている。２つの電機子巻線２Ａ、２Ｂは、互いに電気的に接続されず、しかも電気角で３０°ずれた状態で配置されている。また、２つの整流器３Ａ、３Ｂのそれそれの出力端子が共通にＢ端子および電圧制御装置５Ａに接続されている。電圧制御装置５Ａは、上述した電圧制御装置５と同じ構成（図１〜図４に示した構成）を有している。
【００６２】
図１３は、車両用交流発電機１Ａに異常がない場合における電圧制御装置５Ａの各部の動作を示すタイミング図である。図１３（ｂ）に示すように、電機子巻線２Ａ、２Ｂの直流出力信号には、それぞれの電機子巻線２Ａ、２Ｂにおいて発生するリップル成分が重畳されているため、電気的な１周期中に１２個のリップルが現れる。図１３に示すように、このリップル数が倍になるだけであり、電圧制御装置５Ａは、電圧制御装置５と同じように異常検出を行って警報灯９３を点灯させている。
【００６３】
〔第３の実施形態〕
図１４は、第３の実施形態の車両用交流発電機１Ｂの構成を示す図である。図１３に示すように、本実施形態の車両用交流発電機１Ｂは、電機子巻線２、整流器３、界磁巻線４、電圧制御装置５Ｂを含んで構成されている。電圧制御装置５Ｂは、図１に示した車両用交流発電機１に含まれる電圧制御装置５に対して、リップル検出器５６をリップル検出器１５６に、リップルカウンタ５７をリップルカウンタ１５７、異常判定部５８を異常判定部１５８にそれぞれ置き換えた点が異なっている。
【００６４】
図１５は、リップル検出器１５６の具体的な構成を示す図である。図１５に示すリップル検出器１５６は、図１０に示したリップル検出器５６Ａの構成に対して、基準値にヒステリシス特性を持たせたシュミット回路を追加した構成を有している。このシュミット回路は、電圧比較器６０２の出力端子とマイナス端子とを抵抗６０１を介して接続することにより構成されており、所定のヒステリシス量を超えるような変動成分をパルス化する。このシュミット回路が振幅検出手段に対応する。また、シュミット回路から出力されるパルス信号は、信号線Ｌ５を介してリップルカウンタ１５７に送られる。
【００６５】
図１６は、リップルカウンタ１５７の具体的な構成を示す図である。図１６に示すリップルカウンタ１５７は、図３に示したリップルカウンタ５７の構成に対して、基本的に同じ構成をもう一組追加した構成を有している。この追加した構成によって、信号線Ｌ５を介してリップルカウンタ１５７内のシュミット回路から送られてくるパルス信号に対してパルス数のカウントが行われる。追加された構成を用いて行われるパルス数のカウント動作自体は、図３に示したリップルカウンタ５７と全く同じであり、カウントする期間や各種の素子定数のみが変更されている。
【００６６】
すなわち、上述したリップル検出器１５６が振幅の大きな周期変動成分を検出してパルス信号を出力すると、リップルカウンタ１５７はこれをカウントし、所定期間内に所定個数を超えた場合には、図５（ｈ）に示したようなハイレベルの信号が電圧比較器６９３から出力される。この信号は、信号線Ｌ６を介して異常判定器１５８に送られる。
【００６７】
図１７は、異常判定器１５８の具体的な構成を示す図である。図１７に示す異常判定器１５８は、図４に示した異常判定器５８の構成に対して、基本的に同じ構成をもう一組追加した構成を有している。この追加した構成によって、信号線Ｌ６を介して送られてくる信号に基づいて異常発生の有無を判定している。但し、この追加された構成に含まれる電圧比較器６８７は、プラス端子に閾値Ｖth２が入力されており、マイナス端子に入力されるコンデンサ６８６の両端電圧と比較するようになっている。
【００６８】
整流器３の出力信号に振幅の大きな周期変動成分が含まれる場合には、追加された構成に含まれるトランジスタ６８５が定期的に閉成されるため、コンデンサ６８６が定期的に放電される。したがって、コンデンサ６８６の両端電圧はあまり上昇せず、電圧比較器６８７の出力は常にハイレベルを維持する。このような状態において、異常発生に伴って整流器３の出力信号に含まれるリップルの数が少なくなると電圧比較器５８７の出力がハイレベルに反転するため、アンド回路６９０からはハイレベルの信号が出力される。この信号は、オア回路５８９を介して警報灯駆動トランジスタ５９に送られ、警報灯９３が点灯される。また、整流器３の出力信号に含まれるリップルの数が所定個数以上の場合には、電圧比較器５８７の出力がローレベルを維持するため、警報灯９３は点灯されない。
【００６９】
一方、整流器３の出力信号に振幅の大きな周期変動成分が含まれない場合には、異常判定器１５８内のトランジスタ６８５は開成状態を維持するため、コンデンサ６８６が十分に充電された状態にあり、電圧比較器６８７の出力はローレベルを維持し、警報灯９３は点灯しない。したがって、整流器３の出力信号に、本来のリップルに近い周波数を有し、リップルよりも振幅が大きな外乱ノイズが含まれている場合に、電圧比較器５８７から誤ってハイレベルの信号が出力されても、そのまま警報灯９３を点灯して誤警報を行ってしまう機会を低減することができる。
【００７０】
例えば、リップル検出器１５６内のシュミット回路のヒステリシス量は、点火装置の発するノイズが車両用交流発電機１ＢのＢ端子に現れる大きさよりも大きく設定されている。また、車両用交流発電機１Ｂの出力系統（電機子巻線２や整流器３等）に異常が発生すると、このようにして設定したシュミット回路のヒステリシス量よりも明らかに大きなリップル成分が発生するため、このリップル成分が検出されて警報が行われる。
【００７１】
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、上述した各実施形態では、アナログ回路を用いた事例を示しているが、同等の機能をデジタル回路で実現することも可能である。さらに、上述した各実施形態では、ツェナーダイオードを用いて整流器を構成する場合について説明したが、通常のダイオードを用いて整流器を構成するようにしてもよい。
【００７２】
また、上述した各実施形態において、整流器３等の直流出力電圧の平均値を検出し、この値が所定値以上の場合に、警報を行わないようにしてもよい。すなわち、異常発生時にはバッテリを十分に充電できずにバッテリ電圧が徐々に低下するはずであり、このような現象が現れない場合に警報を禁止することで、誤警報を防止することが可能になる。具体的には、異常判定器５８等の内部あるいは外部に、整流器３の出力電圧を平均化する平均電圧検出回路（平均電圧検出手段）を設け、出力電圧の平均値が所定値よりも小さい場合にハイレベルの信号を出力するようにする。さらにアンド回路等を設けることにより、平均電圧検出回路の出力がハイレベルの場合に限って、警報用駆動トランジスタ５９を駆動すればよい。
【００７３】
また、上述した各実施形態では、警報灯９３を用いて異常の発生を運転者に通知するようにしたが、代わりにアラームやブザー等の音響装置を用いたり、運転座席に埋設された振動子を振動させる等の方法で異常の発生を運転者に通知するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図２】リップル検出器の具体的な構成を示す図である。
【図３】リップルカウンタの具体的な構成を示す図である。
【図４】異常判定器の具体的な構成を示す図である。
【図５】車両用交流発電機に異常がない場合の正常時における電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図６】正極側ダイオードがショートした場合の電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図７】電機子巻線の相間レア故障時の電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図８】各種の異常が発生した場合の電機子巻線の１相の出力信号波形を示す図である。
【図９】異常判定器の変形例を示す図である。
【図１０】リップル検出器の変形例を示す図である。
【図１１】整流器の出力信号の具体例を示す図である。
【図１２】第２の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図１３】図１２に示した車両用交流発電機に異常がない場合における電圧制御装置の各部の動作を示すタイミング図である。
【図１４】第３の実施形態の車両用交流発電機の構成を示す図である。
【図１５】リップル検出器の具体的な構成を示す図である。
【図１６】リップルカウンタの具体的な構成を示す図である。
【図１７】異常判定器の具体的な構成を示す図である。
【符号の説明】
１ 車両用交流発電機
２ 電機子巻線
３ 整流器
４ 界磁巻線
５、５Ａ、５Ｂ 電圧制御装置
５１ パワートランジスタ
５２ 還流ダイオード
５３ 主電源回路
５４ フィルタ装置
５５ 電圧比較器
５６ リップル検出器
５７ リップルカウンタ
５８ 異常判定器
５９ 警報灯駆動トランジスタ
９３ 警報灯
Claims (9)
- 車両用交流発電機の整流器の出力電圧に含まれるリップルを検出するとともに、前記車両用交流発電機の発電動作の基本周期に対応する所定期間内に前記リップルが所定個数以上検出できない場合に、前記車両用交流発電機に異常があるものとして異常判定を行う異常判定手段と、
前記異常判定手段によって異常判定がなされたときに所定の警報信号を出力する警報出力手段と、
を備えることを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項１において、
前記異常判定手段は、前記車両用交流発電機の電機子を構成する多相巻線の少なくとも１相の出力電圧の半周期あるいは１周期の整数倍の期間を前記所定期間として前記異常判定を行うことを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項２において、
前記多相巻線の相数をｍ、前記整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、
前記異常判定手段は、前記所定期間内に、前記リップルがｋｍ−ｊで表される個数以上検出できない場合に前記異常判定を行うことを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項２において、
前記車両用交流発電機の界磁巻線の通電を遮断するスイッチ手段の導通率を検出する導通率検出手段をさらに備え、
前記多相巻線の相数をｍ、前記整流器の個数をｊ、ｋを１以上の整数としたときに、
前記警報出力手段は、前記導通率が（２ｋｍ−ｊ）／２ｋｍで表される値よりも小さい場合に、前記警報信号の出力を停止することを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項１〜４のいずれかにおいて、
逆方向降伏特性を備えるダイオードを少なくとも一つ含んで前記整流器が構成されている前記車両用交流発電機の異常を検出することを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項２〜４のいずれかにおいて、
互いに電気的に接続されていない複数の前記多相巻線と、これら複数の多相巻線のそれぞれの交流出力を独立して整流する複数の前記整流器を含んで構成される前記車両用交流発電機の異常を検出することを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項１〜６のいずれかにおいて、
前記異常判定手段は、前記整流器の出力電圧から高調波成分を除去した後の平均電圧と前記出力電圧とを比較することにより、前記異常判定を行うことを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記整流器の出力電圧の振幅を検出する振幅検出手段をさらに備え、
前記振幅検出手段によって検出された前記出力電圧の振幅が所定値以下の場合に、前記警報出力手段による前記警報信号の出力を停止することを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。 - 請求項１〜７のいずれかにおいて、
前記整流器の出力電圧の平均電圧を検出する平均電圧検出手段をさらに備え、
前記平均電圧検出手段によって検出された前記平均電圧が所定値以上の場合に、前記警報出力手段による前記警報信号の出力を停止することを特徴とする車両用交流発電機の異常検出装置。
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