JP6604551B2 - 信号成形装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、凸部の通過を検出する信号成形装置と方法に関する。

車両用過給機、ジェットエンジン、等の回転軸回りに凸部を有する回転機械では、凸部を囲むケーシングに例えば非接触センサを取り付けて、凸部の通過を検出し、タイミング信号を生成することがある。
このタイミング信号は、例えば凸部の振動や振動振幅を算出するために用いられる。

従来の凸部通過検出手段として、例えば、ＬＥ方式（Ｌｅａｄｉｎｇ Ｅｄｇｅ Ｍｅｔｈｏｄ）及びＣＦＤ方式（Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆｒａｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｃｒｉｍｉｎａｔｏｒ Ｍｅｔｈｏｄ）が知られている（例えば特許文献１）。

特開平６−１１８１７３号公報

図１は、ＬＥ方式の説明図であり、（Ａ）は回路、（Ｂ）は入力信号Ａと出力信号Ｆを示している。
図１（Ａ）において、ＬＥ方式の回路は、コンパレータＣとトランスレータＥとを有する。コンパレータＣは、入力信号Ａと閾値Ｖｔｈとを比較し、入力信号Ａが閾値Ｖｔｈを超えた時点を検出する。トランスレータＥは検出された時点を基に出力信号Ｆ（例えば、矩形波）を生成する。
この方式は、図１（Ｂ）に示すように、入力信号Ａの出力レベルＰ１，Ｐ２（信号強度）が変動すると閾値Ｖｔｈを超える検出時間Ｔａ１，Ｔａ２が変動し、特に低出力では出力信号Ｆが生成できないことがある。

図２は、ＣＦＤ方式の説明図であり、（Ａ）は回路、（Ｂ）は入力信号Ａ、減衰波形Ａ１、遅延波形Ｂ１、及び出力信号Ｆを示している。
図２（Ａ）において、ＣＦＤ方式の回路は、減衰素子Ａｔ、遅延素子Ｄｅ、コンパレータＣ１，Ｃ２、アンド素子ＡＮＤ、及びトランスレータＥを有する。減衰素子Ａｔは、入力信号Ａを減衰させる。遅延素子Ｄｅは入力信号Ａを遅延させる。コンパレータＣ１は、減衰波形Ａ１と遅延波形Ｂ１の交点を検出する。コンパレータＣ２は、入力信号Ａと閾値Ｖｔｈとを比較し、入力信号Ａが閾値Ｖｔｈを超えた時点を検出する。アンド素子ＡＮＤは、コンパレータＣ１，Ｃ２の両方が出力するときの時点を検出する。トランスレータＥは検出された時点を基に出力信号Ｆ（例えば、矩形波）を生成（成形）する。

この方式は、軸の回転により凸部の（周）速度が変化すると、検出時間Ｔａ１，Ｔａ２が変動し、特に低速回転では、適切なパラメータ（減衰率と遅延時間）が設定できず、出力信号Ｆが生成できないことがある。
言い換えれば、ＣＦＤ方式のパラメータは、入力信号Ａの波形や凸部２の速度に依存するため、最適な調整が困難であった。
また、減衰波形Ａ１と遅延波形Ｂ１が最適位置（立ち上がり部）で正しく交差していることは、オシロスコープ等で波形を確認する必要があり、調整に時間がかかっていた。
なお、ＣＦＤ方式は、入力信号Ａを減衰かつ遅延させた減衰遅延波形（図示せず）と入力信号Ａの交点を検出する場合もある。

車両用過給機、ジェットエンジン、等の凸部の通過を検出する場合、回転部の低速回転から高速回転まで計測を行う必要がある。
しかし、低速回転域の計測のために、上述したＣＦＤ方式の手段は、遅延時間の長い遅延素子Ｄｅを用いる必要がある。また、この遅延素子Ｄｅは、減衰が過大であり、その結果、検出精度が低下する。一方、ＬＥ方式の手段は、高速回転域における検出精度が低い。
すなわち、ＣＦＤ方式の手段で信号成形を行うと、高速回転域ではばらつきが少ない出力信号Ｆが得られる。しかし、ＣＦＤ方式の手段は、遅延素子Ｄｅと減衰素子Ａｔの調整範囲に限界があり、低速回転の場合は信号成形ができないことがあった。

本発明は上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、凸部の回転速度が低速から高速まで広範囲に変動する場合でも、凸部の通過を検出して最適な出力信号を成形できる信号成形装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、軸心を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部の通過を検出する信号成形装置であって、
前記凸部の通過を非接触で検出して時間経過と共に出力レベルが変化する波形の検出データである入力信号を受信し、前記入力信号の立ち上がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立上り検出回路と、
前記入力信号の立ち下がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立下り検出回路と、
前記入力信号が入力閾値を超える先端部分を検出する先端検出回路と、
前記入力信号に応じて、前記立上り検出回路、前記立下り検出回路、及び前記先端検出回路から最適な１つを選択する回路選択回路と、を備える、信号成形装置が提供される。

また本発明によれば、軸心を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部の通過を検出する信号成形方法であって、
（Ａ）前記凸部の通過を非接触で検出して時間経過と共に出力レベルが変化する波形の検出データである入力信号を受信し、前記入力信号の立ち上がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立上り検出回路と、
前記入力信号の立ち下がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立下り検出回路と、
前記入力信号が入力閾値を超える先端部分を検出する先端検出回路と、を準備する準備ステップと、
（Ｂ）前記入力信号に応じて、前記立上り検出回路、前記立下り検出回路、及び前記先端検出回路から最適な１つを選択する回路選択ステップと、
（Ｃ）選択された回路の出力信号に基づき前記凸部の通過を検出する出力信号を出力する信号出力ステップと、を有する、信号成形方法が提供される。

本発明によれば、回路選択回路により、入力信号に応じて、立上り検出回路、立下り検出回路、及び先端検出回路から最適な１つを選択する。
従って、凸部の回転速度が低速から高速まで広範囲に変動する場合でも、凸部の通過を検出して最適な出力信号を成形できる。

ＬＥ方式の説明図である。 ＣＦＤ方式の説明図である。 本発明による信号成形装置の全体構成図である。 立上り検出回路、立下り検出回路、及び先端検出回路の作動説明図である。 波形調査回路の構成図である。 波形調査回路の作動説明図である。 本発明の信号成形方法の全体フロー図である。 回転信号と第１判別信号及び第２判別信号との関係を示す図である。 凸部が長羽根と短羽根を有する場合の、入力信号と出力信号の関係を示す図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

本発明の発明者らは、凸部通過検出手段の検出誤差と凸部２の周波数ｆとを比較した場合、ある周波数（以下、「周波数閾値Ｘ」と呼ぶ）を境にして、ＬＥ方式とＣＦＤ方式の検出誤差の大きさが逆転することを、新たに発見した。
すなわち、凸部２の周波数ｆが周波数閾値未満のとき、ＬＥ方式の検出誤差はＣＦＤ方式の検出誤差より小さくなり、逆に、周波数ｆが周波数閾値以上のとき、ＣＦＤ方式の検出誤差はＬＥ方式の検出誤差より小さくなることを見出した。
本発明はかかる新たな知見に基づいている。

図３は、本発明による信号成形装置１００の全体構成図である。
本発明の信号成形装置１００は、軸心１を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部２の通過を検出する装置である。この図において、凸部２は、車両用過給機の凸部であるが、その他のターボ機械（例えば、ジェットエンジン、等）の凸部であってもよい。

複数の凸部２は等間隔であることが好ましい。
ここで「等間隔」とは、回転体が軸対称で構成され、設計上、ぶれずに回転する構成となっている物体が、回転時に同一場所を通過する場合に、定期的な周期で通過を計測でき、通過するときの計測波形が同形となるものである。また、「等間隔」には、必ずしも全てが同一の形状の物体である必要はないが、周期的に同一形状が並んで配置されているものを含む。

この図において、本発明の信号成形装置１００は、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、先端検出回路１４、回路選択回路１６、及びカウンタ回路１８を備える。

この図において、非接触センサ３は、凸部２の外側の検出位置において、凸部２の通過を非接触で検出して時間経過ｔ（図６参照）と共に出力レベルＰ（図６参照）が変化する波形の検出データである入力信号Ａを出力する。

図４は、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４の作動説明図である。
以下、図３と図４を用い、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４を説明する。

図３において、立上り検出回路１０は、第１減衰回路２２Ａ、第１遅延回路２４Ａ、及び第１コンパレータ２６Ａを有する。

図４（Ａ）に示すように、第１減衰回路２２Ａは、入力信号Ａを減衰させた減衰波形Ａ１を形成する。第１遅延回路２４Ａは、入力信号Ａを遅延させた遅延波形Ｂ１を形成する。第１コンパレータ２６Ａは、減衰波形Ａ１と遅延波形Ｂ１の交点を検出し、検出された第１時点Ｔ１を基に第１出力信号Ｆ１（例えば、矩形波）を生成（成形）する。

この構成により、適切なパラメータ（減衰率と遅延時間）を設定することで、立上り検出回路１０により、入力信号Ａを受信し、入力信号Ａの立ち上がり部のピーク傾き部の中央部分を検出して、第１出力信号Ｆ１を生成（成形）することができる。

立ち上がり部とは、波形の出力レベルＰ（図３参照）が、最小値から最大値まで上昇する波形範囲を意味する。また、立ち下り部とは、波形の出力レベルＰが、最大値から最小値まで下降する波形範囲を意味する。

ピーク傾き部の中央部分とは、入力信号Ａの立ち上がり部又は立ち下がり部の傾きが最大部又は最小部の近傍部分を意味する。

減衰率（又は減衰比という）は、波形の減衰後と減衰前の出力レベルの比であり、減衰率＝（減衰後の出力レベル）／（減衰前の出力レベル）であり、０〜１の数字又は０％〜１００％で表すことができる。
遅延時間は、波形を遅らせる時間幅である。

図３において、立下り検出回路１２は、第２減衰回路２２Ｂ、第２遅延回路２４Ｂ、及び第２コンパレータ２６Ｂを有する。

図４（Ｂ）に示すように、第２減衰回路２２Ｂと第２遅延回路２４Ｂは、入力信号Ａを減衰し遅延させた減衰遅延波形Ａ２を形成する。第２コンパレータ２６Ｂは、減衰遅延波形Ａ２と入力信号Ａの交点を検出し、検出された第２時点Ｔ２を基に、第２出力信号Ｆ２（例えば、矩形波）を生成（成形）する。

この構成により、適切なパラメータ（減衰率と遅延時間）を設定することで、立下り検出回路１２により、入力信号Ａの立ち下がり部のピーク傾き部の中央部分を検出して、第２出力信号Ｆ２を生成（成形）することができる。

図３において、先端検出回路１４は、第１閾値記憶部２３Ａと第３コンパレータ２６Ｃとを有する。第１閾値記憶部２３Ａは、第１閾値Ｖ１を出力する。

図４（Ｃ）に示すように、第３コンパレータ２６Ｃは、入力信号Ａと入力閾値Ｖ１とを比較し、入力信号Ａが第１閾値Ｖ１を超えた第３時点Ｔ３を検出する。
この構成により、先端検出回路１４は、入力信号Ａが第１閾値Ｖ１（入力閾値Ｖ１）を超える先端部分を検出して、第３出力信号Ｆ３を生成（成形）することができる。

以下、区別が必要な場合を除き、第１出力信号Ｆ１、第２出力信号Ｆ２、及び第３出力信号Ｆ３を単に「出力信号Ｆ」と呼ぶ。

図３において、回路選択回路１６は、波形調査回路２７と回路切替回路２９とを有する。
図５は、波形調査回路２７の構成図であり、図６は、波形調査回路２７の作動説明図である。以下、図５と図６を用いて、波形調査回路２７を説明する。

図５において、波形調査回路２７は、第２閾値記憶部２３Ｂ、第３閾値記憶部２３Ｃ、第４コンパレータ２６Ｄ、第５コンパレータ２６Ｅ、及び制御装置２８を有する。

第２閾値記憶部２３Ｂは、第２閾値Ｖ２を出力し、第３閾値記憶部２３Ｃは、第３閾値Ｖ３を出力する。第２閾値Ｖ２は、入力信号Ａの下部を検出するように低い値に設定する。第３閾値Ｖ３は、入力信号Ａの上部を検出するように第２閾値Ｖ２よりも高い値に設定する。

図６に示すように、第４コンパレータ２６Ｄは、入力信号Ａが第２閾値Ｖ２を超える部分を検出して、時間ｔ０から時間ｔ３までの第１判別信号Ｇ１を生成（成形）する。
また、第５コンパレータ２６Ｅは、入力信号Ａが第３閾値Ｖ３を超える部分を検出して、時間ｔ１から時間ｔ２までの第２判別信号Ｇ２を生成（成形）する。

制御装置２８は、周波数検出部２８ａ、第１選択部２８ｂ、比較部２８ｃ、第２選択部２８ｄ、及び第３選択部２８ｅを有する。
周波数検出部２８ａは、先端検出回路１４の検出信号（第３出力信号Ｆ３）から凸部２の周波数ｆを検出する。
第１選択部２８ｂは、周波数ｆが周波数閾値未満（ｆ＜Ｘ）のときに、先端検出回路１４を選択し選択信号Ｊを出力する。選択信号Ｊは、図３の回路切替回路２９に出力される。

比較部２８ｃは、周波数ｆが周波数閾値以上（ｆ≧Ｘ）のときに、入力信号Ａの立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆを比較する。

図６において、第２選択部２８ｄは、入力信号Ａの立上り時間Ｔｒ（＝ｔ１−ｔ０）と立下り時間Ｔｆ（＝ｔ３−ｔ２）を比較し、立上り時間Ｔｒが立下り時間未満（Ｔｒ＜Ｔｆ）のときに、立上り検出回路１０を選択する。

第３選択部２８ｅは、図６において、立上り時間Ｔｒが立下り時間以上（Ｔｒ≧Ｔｆ）のときに、立下り検出回路１２を選択し選択信号Ｊを出力する。

上述した波形調査回路２７により、入力信号Ａに応じて、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４から最適な１つを選択することができる。

選択信号Ｊは、図３の回路切替回路２９に出力される。

上述した回路選択回路１６により、凸部２の周波数ｆと、第１出力信号Ｆ１、第２出力信号Ｆ２、又は第３出力信号Ｆ３のいずれか１つの選択信号Ｊを出力することができる。

図３において、回路切替回路２９は、選択信号Ｊに対応する回路の出力信号Ｆをカウンタ回路１８に出力する。
カウンタ回路１８は、選択された回路の出力信号Ｆに基づき、凸部２の通過を検出し、凸部２の通過時点（ＴＯＡ：Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ）、凸部２の振動振幅などを算出する。

図７は、本発明の信号成形方法の全体フロー図である。本発明の信号成形方法は、軸心１を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部２の通過を検出する方法であり、この図において、Ｓ１〜Ｓ３の各ステップ（工程）からなる。

準備ステップＳ１では、上述した立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４を準備する。
回路選択ステップＳ２では、入力信号Ａに応じて、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４から最適な１つを選択する。
信号出力ステップＳ３では、選択された回路の出力信号Ｆに基づき凸部２の通過を検出する出力信号Ｆを出力する。

図７において、回路選択ステップＳ２は、ＳＴ１〜ＳＴ８の各ステップ（工程）からなる。

初期設定ステップＳＴ１では、先端検出回路１４の第１閾値Ｖ１（入力閾値）を設定する。この設定値は、入力信号Ａを検出できる限りで小さい値であるのがよい。
周波数検出ステップＳＴ２では、先端検出回路１４の検出信号から凸部２の周波数ｆを検出する。

ステップＳＴ３では、周波数ｆが周波数閾値Ｘ未満であるか否かを判断する。
ステップＳＴ３で周波数ｆが周波数閾値Ｘ未満（ｆ＜Ｘ）のとき（ＹＥＳ）、第１選択ステップＳＴ４において先端検出回路１４を選択する。

ステップＳＴ３で周波数ｆが周波数閾値Ｘ以上（ｆ≧Ｘ）のとき（ＮＯ）、ステップＳＴ５において、立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆを算出する。
比較ステップＳＴ６では、入力信号Ａの立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆを比較する。

比較ステップＳＴ６において、立上り時間Ｔｒが立下り時間Ｔｆ未満（Ｔｒ＜Ｔｆ）のとき（ＹＥＳ）、第２選択ステップＳＴ７において、立上り検出回路１０を選択する。
比較ステップＳＴ６において、立上り時間Ｔｒが立下り時間Ｔｆ以上（Ｔｒ≧Ｔｆ）のとき（ＮＯ）、第３選択ステップＳＴ８において、立下り検出回路１２を選択する。

図８は、回転信号Ａ０と第１判別信号Ｇ１及び第２判別信号Ｇ２との関係を示す図である。
回転信号Ａ０は、凸部２が１回転する毎に１つが検出される。
第１判別信号Ｇ１及び第２判別信号Ｇ２は、隣接する２つの回転信号Ａ０の間にそれぞれ複数が検出される。
従って、回転信号Ａ０を基準として、それぞれの第１判別信号Ｇ１及び第２判別信号Ｇ２が何番目の凸部２に相当するかを判断することができる。

図９は、凸部２が長羽根と短羽根を有する場合の、入力信号Ａと出力信号Ｆの関係を示す図である。
この図に示すように、本発明では長羽根と短羽根を有する場合でも、立上り時間Ｔｒと立下り時間Ｔｆを比較して急峻な方を選択し、それぞれの入力信号Ａから最適な出力信号Ｆを成形できる。

上述した本発明によれば、回路選択回路１６を備え、入力信号Ａに応じて、立上り検出回路１０、立下り検出回路１２、及び先端検出回路１４から最適な回路を選択する。
従って、凸部２の回転速度が低速から高速まで広範囲に変動する場合でも、凸部２の通過を検出して最適な出力信号Ｆを成形できる。

なお、本発明は上述した実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更を加え得ることは勿論である。

Ａ 入力信号、Ａ０ 回転信号、Ａ１ 減衰波形、Ａ２ 減衰遅延波形、
Ａｔ 減衰素子、ＡＮＤ アンド素子、Ｂ１ 遅延波形、
Ｃ，Ｃ１，Ｃ２ コンパレータ、Ｄｅ 遅延素子、Ｅ トランスレータ、
Ｆ 出力信号、Ｆ１ 第１出力信号、Ｆ２ 第２出力信号、
Ｆ３ 第３出力信号、ｆ 周波数、Ｇ１ 第１判別信号、Ｇ２ 第２判別信号、
Ｊ 選択信号、Ｐ 出力レベル、Ｔ１ 第１時点、Ｔ２ 第２時点、
Ｔ３ 第３時点、Ｔａ１，Ｔａ２ 検出時間、Ｔｒ 立上り時間、
Ｔｆ 立下り時間、ＴＯＡ 凸部の通過時点、ｔ 時間経過、
ｔ０，ｔ１，ｔ２，ｔ３ 時間、Ｖｔｈ 閾値、Ｖ１ 第１閾値（入力閾値）、
Ｖ２ 第２閾値、Ｖ３ 第３閾値、Ｘ 周波数閾値、１ 軸心、２ 凸部、
３ 非接触センサ、１０ 立上り検出回路、１２ 立下り検出回路、
１４ 先端検出回路、１６ 回路選択回路、１８ カウンタ回路、
２２Ａ 第１減衰回路、２２Ｂ 第２減衰回路、２３Ａ 第１閾値記憶部、
２３Ｂ 第２閾値記憶部、２３Ｃ 第３閾値記憶部、２４Ａ 第１遅延回路、
２４Ｂ 第２遅延回路、２６Ａ 第１コンパレータ、
２６Ｂ 第２コンパレータ、２６Ｃ 第３コンパレータ、
２６Ｄ 第４コンパレータ、２６Ｅ 第５コンパレータ、２７ 波形調査回路、
２８ 制御装置、２８ａ 周波数検出部、２８ｂ 第１選択部、
２８ｃ 比較部、２８ｄ 第２選択部、２８ｅ 第３選択部、
２９ 回路切替回路、１００ 信号成形装置

Claims (5)

1. 軸心を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部の通過を検出する信号成形装置であって、
   前記凸部の通過を非接触で検出して時間経過と共に出力レベルが変化する波形の検出データである入力信号を受信し、前記入力信号の立ち上がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立上り検出回路と、
   前記入力信号の立ち下がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立下り検出回路と、
   前記入力信号が入力閾値を超える先端部分を検出する先端検出回路と、
   前記入力信号に応じて、前記立上り検出回路、前記立下り検出回路、及び前記先端検出回路から最適な１つを選択する回路選択回路と、を備える、信号成形装置。
2. 前記回路選択回路は、前記先端検出回路の検出信号から前記凸部の周波数を検出する周波数検出部と、
   前記周波数が周波数閾値未満のときに、前記先端検出回路を選択する第１選択部と、
   前記周波数が周波数閾値以上のときに、前記入力信号の立上り時間と立下り時間を比較する比較部と、
   前記立上り時間が前記立下り時間未満のときに、前記立上り検出回路を選択する第２選択部と、
   前記立上り時間が前記立下り時間以上のときに、前記立下り検出回路を選択する第３選択部と、を有する、請求項１に記載の信号成形装置。
3. 選択された回路の出力信号に基づき前記凸部の通過を検出するカウンタ回路を備える、請求項１に記載の信号成形装置。
4. 軸心を中心に回転し周方向に配置された複数の凸部の通過を検出する信号成形方法であって、
   （Ａ）前記凸部の通過を非接触で検出して時間経過と共に出力レベルが変化する波形の検出データである入力信号を受信し、前記入力信号の立ち上がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立上り検出回路と、
   前記入力信号の立ち下がり部のピーク傾き部の中央部分を検出する立下り検出回路と、
   前記入力信号が入力閾値を超える先端部分を検出する先端検出回路と、を準備する準備ステップと、
   （Ｂ）前記入力信号に応じて、前記立上り検出回路、前記立下り検出回路、及び前記先端検出回路から最適な１つを選択する回路選択ステップと、
   （Ｃ）選択された回路の出力信号に基づき前記凸部の通過を検出する出力信号を出力する信号出力ステップと、を有する、信号成形方法。
5. 前記回路選択ステップは、
   前記先端検出回路の検出信号から前記凸部の周波数を検出する周波数検出ステップと、
   前記周波数が周波数閾値未満のときに、前記先端検出回路を選択する第１選択ステップと、
   前記周波数が周波数閾値以上のときに、前記入力信号の立上り時間と立下り時間を比較する比較ステップと、
   前記立上り時間が前記立下り時間未満のときに、前記立上り検出回路を選択する第２選択ステップと、
   前記立上り時間が前記立下り時間以上のときに、前記立下り検出回路を選択する第３選択ステップと、を有する、請求項４に記載の信号成形方法。

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