JP7163670B2 - Signal processor and sensor device - Google Patents
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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。
BACKGROUND OF THE
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。
For example,
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。 However, in the above-configured rotation detection device, the electrical signal from the eddy current sensor has the same waveform when the sensor fails due to disconnection or the like and when the turbocharger is not rotating. Stops cannot be distinguished from electrical signals. Therefore, if it is erroneously determined that the turbocharger is not rotating due to the failure of the sensor, for example, if the engine equipped with the turbocharger is controlled, the turbocharger or the engine may malfunction or fail. .
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。 SUMMARY OF THE INVENTION In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to provide a signal processing device capable of distinguishing failure of a sensor from stoppage of a detection target such as a turbocharger, and a sensor device having the same. .
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。
To achieve the above object, a signal processing device according to one aspect of the present invention is a signal processing device electrically connected to a detection coil for signal detection, and includes an oscillation circuit and a detection section.
The oscillation circuit outputs a first sine wave signal when the detection coil is not broken, and has a lower frequency and an amplitude than the first sine wave signal when the detection coil is broken. Output a large second sinusoidal signal.
The detection unit detects rotation of the detection target based on whether the amplitude of the first sine wave signal exceeds a predetermined threshold, wherein the threshold is the rotation of the detection target. It is set to a value that is larger than the amplitude of the first sine wave signal and smaller than the amplitude of the second sine wave signal when stopped.
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。 The detection unit includes: a first detection circuit for detecting a first amplitude higher than a reference potential in a sine wave signal; a second detection circuit for detecting a second amplitude lower than the reference potential; a differential amplifier circuit that amplifies the difference between the output signal of the detection circuit and the output signal of the second detection circuit; and a binarization circuit that binarizes the output of the differential amplifier circuit based on the threshold value. , may have
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。 As described above, according to the present invention, it is possible to distinguish between a failure of a sensor and a stoppage of an object to be detected such as a turbocharger.
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
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。
FIG. 1 is a block diagram schematically showing the configuration of a
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。
The
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。
The
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。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration example of the
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。 A first capacitor C10 is connected between the emitter of the bipolar transistor Q and the ground terminal, a second capacitor C20 is connected between the collector and the emitter of the bipolar transistor Q, and a coil L2 is connected between the bipolar transistor Q and the ground terminal. is connected between the collector and the base of the A resistor R and a detection coil L1 are connected in parallel with the first capacitor C10 between the emitter of the bipolar transistor Q and the ground terminal.
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。
The
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。
The
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。 On the other hand, in this type of rotation detection device, the sensor top (detection coil L1) may break. When the detection coil L1 is disconnected, the combined inductance of the oscillation circuit increases as expressed by the following equation (2). As a result, the oscillation frequency f0 decreases and the impedance of the oscillation circuit increases, so that the signal voltage (V) increases compared to before the disconnection of the sensor top.
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。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a comparison of the sine wave signal of the
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。
For example, when the detection coil L1 is disconnected, the oscillation frequency of the
Since FIG. 3 is a schematic diagram, the relative ratio of the frequencies of the sinusoidal signals W1 and W2 does not necessarily match the above example.
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。
Next, the
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
The
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。
A
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。
5A to 5D are diagrams schematically showing output waveforms of the
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。
The
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。
The threshold Vth is set to a value larger than the amplitude of the first sine wave signal W1, as shown in FIG. set. When the rotating blade T stops rotating, the amplitude of the first sinusoidal signal W1 does not change. In this case, since the output of the
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。
On the other hand, in this type of conventional rotation detection device, when the sensor top is disconnected, the signal waveform output from the
In this embodiment, as will be described later, the threshold Vth for detecting the rotation of the rotating blades T is set to a value smaller than the amplitude of the second sine wave signal W2.
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。
6A to 6D are diagrams schematically showing output waveforms of the
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。
When the detection coil L1 is disconnected, the
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。
Therefore, in this embodiment, the threshold value Vth of the
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。 The method of adjusting the frequency and voltage of the second sine wave signal W2 is not particularly limited.
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。
As described above, according to the present embodiment, failure of the
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。
Furthermore, according to the present embodiment, since a failure of the
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。 Although the embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the present invention is not limited to the above-described embodiments and can be modified in various ways.
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。
For example, in the above embodiment, the
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。 Further, in the above embodiments, the rotating blades of a turbocharger are used as an example of a detection target of the rotational speed, but the detection target is not limited to this. may
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。
Furthermore, in the above embodiment, an eddy current sensor is used as an example of the
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
DESCRIPTION OF
DESCRIPTION OF
Claims (3)
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、
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、を有し、前記差動増幅回路の出力 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。 A signal processing device electrically connected to a detection coil for signal detection,
A first sine wave signal is output when the detection coil is not disconnected, and a second sine wave signal having a lower frequency and a larger amplitude than the first sine wave signal is output when the detection coil is disconnected. an oscillation circuit that outputs a wave signal;
A first detection circuit for detecting a first amplitude higher than a reference potential in a sine wave signal, a second detection circuit for detecting a second amplitude lower than the reference potential, and an output of the first detection circuit. a differential amplifier circuit for amplifying a difference between the signal and the output signal of the second detection circuit, the output of the differential amplifier circuit exceeds a predetermined threshold, wherein the threshold is greater than the amplitude of the first sine wave signal when the rotation of the detection target is stopped a detector set to a value that is large and smaller than the amplitude of the second sine wave signal;
A signal processing device comprising:
前記検出部は、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をさらに有する
信号処理装置。 The signal processing device according to claim 1,
The signal processing device , wherein the detection unit further includes a binarization circuit that binarizes the output of the differential amplifier circuit based on the threshold.
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。 A signal processing device according to claim 1 or 2;
A sensor device comprising: a detection coil electrically connected to the signal processing device.
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