JP2018123735A - クランク角度検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成し、欠け歯部がない状態の単位角度毎の周期信号を生成でき、しかも欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成できるクランク角度検出装置を提供することにある。【解決手段】立上がりタイミングと立下がりタイミングを発生する第１の所定幅の信号歯を等角度間隔に形成すると共に、これらの信号歯の内の２つの信号歯を立下がりタイミングが他の信号歯と同一の角度間隔に設定され、しかも立上がりタイミングが他の信号歯より遅れた角度間隔に設定された、第１の所定幅より短い第２の所定幅を有する信号歯とし、信号歯の立下がりタイミングで計数を行なう立下がり周期カウンタの計数値に基づいて単位角度毎の周期信号を生成し、信号歯の立上がりタイミングで計数を行なう立上がり周期カウンタの計数値に基づいて、立下がり周期カウンタの計数状態を制御してピストン位置信号を生成する。【選択図】図３Ａ

Description

本発明は内燃機関のクランク角度検出装置に関するものである。

クランクシャフトの回転状態を検出するクランク角センサを備える内燃機関において、クランクシャフトの回転変動から燃焼時に発生するトルク変動を検出し、このトルク変動から燃焼変動を抑制するように燃料制御や点火制御を行なうことで、燃焼を安定化することが行われている。

そして、内燃機関の動作行程である吸気、圧縮、爆発、排気を繰り返しながら回転しているクランクシャフトのトルク変動を検出するには、クランクシャフトの回転速度の変動を求めれば良い。このためには、クランクシャフトに直結したクランク角検出用のシグナルプレートの信号歯間の経過時間を計測し、計測された経過時間に基づいて回転速度の変動を求めることができる。

例えば、シグナルプレートに１０°毎の等間隔の角度で設けられた信号歯であれば、クランクシャフトの回転時に１０°毎の矩形波（単位角度信号）が検出され、夫々の矩形波の立下り時間間隔（周期）を測定することにより、１０°毎の回転速度を算出することができる。そして、求められた単位角度（１０°毎）当たりの回転速度から、クランクシャフトの回転変動を検出してトルク変動を求め、このトルク変動に基づいて燃焼変動を推定するようにしている。

このようなクランク角度検出装置は、例えば、特開２０１０−１９０１７４号公報（特許文献１）に記載されている。この特許文献１においては、クランクシャフトの回転速度を算出し、この回転速度の波形をフィルタリングすることにより、回転速度の波形のうち所定の周波数成分の波形から燃焼トルクを算出するものである。

更に、角度検出の精度を向上させる方法として、例えば、特開２００６−０９８３９２号公報（特許文献２）においては、等分割平均法を用いて複数のクランク角センサからの出力を互いに比較して、自己校正することが提案されている。

特開２０１０−１９０１７４号公報 特開２００６−０９８３９２号公報

ところで、内燃機関の燃料制御や点火制御においては、燃焼気筒のピストンの位置を判別することが必要である。このため、シグナルプレートにおいては、信号歯の一部を欠いた欠け歯部（例えば、３６０°の中で、３０°の欠け歯部を２ヶ所）を設けて、ピストン位置信号を発生するようにしている。しかしながら、この欠け歯部の領域は信号歯による単位角度信号が存在しないので、その領域部分での回転速度の検出精度は低下するものである。

したがって、クランクシャフトの回転速度の変動から燃焼変動を推定する場合は、回転速度の検出精度を高くすることが必要であり、少なくともピストン位置を検出する欠け歯部を要因とする回転速度の検出精度の低下を抑制することが望まれている。しかしながら、その一方で燃焼気筒のピストン位置を求めるためには欠け歯部によって生成されるピストン位置信号が必要である。このように、欠け歯部がない単位角度毎の周期信号と、欠け歯部のピストン位置信号を生成するクランク角度検出装置が求められている。

本発明の目的は、欠け歯部がない状態の単位角度毎の周期信号を生成すると共に、欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成する新規なクランク角度検出装置を提供することにある。

本発明の特徴は、クランクシャフトに固定されたシグナルプレートの外周縁の全周に亘って、立上がりタイミングと立下がりタイミングを発生する等角度間隔に形成された第１の所定幅の第１信号歯と、第１信号歯の内の１つ以上の所定数の信号歯を、立下がりタイミングが第１信号歯と同一の角度間隔に設定され、しかも立上がりタイミングが第１信号歯より遅れた角度間隔に設定された、第１の所定幅より短い第２の所定幅を有する第２の信号歯と、第１信号歯と第２信号歯の立下がりタイミングで計数を行なう立下がり周期カウンタの計数値に基づいて等角度間隔毎の周期信号を生成する周期計測手段と、第１信号歯と前記第２信号歯の立上がりタイミングで計数を行なう立上がり周期カウンタの計数値に基づいて、立下がり周期カウンタの計数状態を制御してピストン位置信号を生成するピストン位置計測手段とを備えた、ところにある。

本発明によれば、欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成すると共に、欠け歯部がない状態の等角度間隔毎の周期信号を生成できるので、燃焼気筒のピストン位置の検出ができると共に、クランクシャフトの回転速度を高い精度で検出することができるようになるものである。

本発明が適用される内燃機関システムの構成図である。 本発明の第１の実施形態になるクランク角検出装置の構成図である。 図２Ａに示すクランク角検出装置の動作を説明するタイムチャート図である。 図２Ａに示すクランク角検出装置を使用した内燃機関の制御装置の具体的な制御ブロックを示すブロック図である。 図３Ａに示す制御ブロックの動作を説明するタイムチャート図である。 図３Ａに示す制御ブロックの動作を実行する制御フローチャートである。 本発明の第２の実施形態になるクランク角検出装置の構成図である。 図４Ａに示すクランク角検出装置の具体的な制御ブロックを示すブロック図である。 従来のクランク角検出装置の構成図である。 図６Ａに示す従来のクランク角検出装置の動作を説明するタイムチャート図である。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されることなく、本発明の技術的な概念の中で種々の変形例や応用例をもその範囲に含むものである。

本発明の実施形態を説明する前に、本発明が適用される内燃機関システムと、従来のクランク角検出装置の構成と動作について簡単に説明する。

図１は、本実施例のクランク角度検出装置を備えた内燃機関１０の構成図である。内燃機関１０の駆動力は、トランスミッション３２を介して、図示していないドライブシャフトからタイヤへ伝達して路面へ伝えられる。ここで、内燃機関１０の種類は、車両を走行させる駆動力源であれば良く、ポート噴射式、または筒内噴射式のガソリン内燃機関、ディーゼル内燃機関等が挙げられる。

内燃機関１０はクランクシャフト１１を有しており、クランクシャフト１１の一端には、補機類をベルト駆動するためのクランクシャフトプーリ１１ａが取り付けられる。また、クランクシャフト１１にはクランク角信号を検出するために既定のパターンを刻んだクランク角検出用のクランク角シグナルプレート１２が取り付けられている。クランクシャフト１１の他端には、トランスミッションへ駆動力を伝達するための図示しないドライブプレートと一体のリングギヤ、およびトルクコンバータが取り付けられている。

クランク角シグナルプレート１２の近傍には１８０°の対向位置に、クランク角シグナルプレート１２のパターンの凸凹を検出してパルス信号を出力するクランク角センサ１３、クランク角センサ１４が取り付けられている。クランク角センサ１３、１４から出力されるパルス信号に基づいて、ＥＣＵ３３は内燃機関１０のクランクシャフト１１の回転速度（＝内燃機関の回転数）を算出する。

また、内燃機関１０の吸気系部品として、吸入空気を各シリンダへ分配する図示しないインテークマニーホールド、スロットルバルブ２２、スロットル開度センサ２１、エアフロセンサ２３、図示しないエアクリーナが取り付けられている。その他のセンサとして、内燃機関の冷却水の温度を検出する冷却水温センサ２４、内燃機関への吸入空気温度を検出する吸入空気温センサ２５、排気ガス中の酸素濃度から空燃比を検出するための空燃比センサ２６、カムシャフトの先端に取り付けられたカム角シグナルプレート１７の凸凹パターンを検出して、気筒判別を行うためのカム角センサ１８の信号がＥＣＵ３３へ入力される。

ＥＣＵ３３の出力は、燃料噴射を行うインジェクタ２９、気筒内の混合気に点火を行う点火プラグ２８、点火コイルへ高電圧を供給するための点火コイル２７、燃料圧力を制御するための高圧燃料ポンプソレノイド３０、排気ガスを還流するためのＥＧＲバルブ３１を駆動する。スロットルバルブ２２は、一例として、電子制御式スロットル装置が使用されている。

ＥＣＵ（エンジンコントロールユニット）３３は、アクセルペダル２０の踏み込み量を検出するアクセルペダルセンサ１９の信号や、その他の各センサから送られてくる信号を基に最適なスロットル開度を算出し、電子制御式スロットル装置へ出力する。これにより、スロットルバルブ２２は最適なスロットルバルブ開度に制御される。

エアフロセンサ２３は、エアクリーナから吸入される空気流量を計測してＥＣＵ３３へ出力する。ＥＣＵ３３は、計測した空気量に見合った燃料量を算出して、インジェクタ２９へ開弁時間として出力する。インジェクタ２９は、前述のクランク角センサ１３、１４の信号が示すクランク角が、ＥＣＵ３３で予め設定されたクランク角となるタイミングで燃料噴射を開始する。

この動作により内燃機関１０の気筒内には、吸入された空気とインジェクタ２９から噴射された燃料が混ぜ合わさり、可燃混合気が形成される。点火プラグ２８には、クランク角センサ１３、１４によって検出されたクランク角が、ＥＣＵ３３で予め設定されたクランク角となるタイミングで、点火コイル２７を介して昇圧された高電圧が印加される。これにより、気筒内の可燃混合気は着火されて燃焼、爆発する。

内燃機関１０は、可燃混合気の燃焼、爆発で得た運動エネルギーを、ピストン１５、コンロッド１６を介してクランクシャフト１１へ伝えて回転駆動力を発生させる。クランクシャフト１１の変速機側には図示していないドライブプレートが付いている。ドライブプレートは、図示していないトルクコンバータの入力側と直結しており、トルクコンバータの出力側はトランスミッション３２に入力される。

従来からの燃費低減の技術の一つとしてリーンバーン燃焼がある。触媒などのＮＯｘ低減対策や燃焼室形状、インジェクタ噴霧の最適化等を施した上で、空燃比を「２０」以上のような稀薄燃焼状態（リーンバーン）として運転することにより、燃料消費を抑える技術である。しかし、内燃機関の性能や燃料性状、気筒間のばらつき、運転条件等によりリーンバーンとして運転できる空燃比には限界があり、リーン限界付近では燃焼発生トルクが変動して不安定となり、駆動系に伝達されて運転者や同乗者へ不快な振動として伝わる。

安定したリーン燃焼状態で内燃機関を運転するには、点火時期、燃料噴射量、噴射時期等をリーン限界の手前に制御する必要があり、そのためには燃焼時に発生するトルクを正確に検出する必要がある。

燃焼時の発生トルクを検出する方法としては、直接的には点火プラグや内燃機関のシリンダヘッドに圧力センサを取り付けて、気筒内の圧力を直接測定しトルクに変換する方法がある。また、間接的な方法としては、気筒外壁の歪みや振動を測定してフィルタを通しトルクに変換する方法や、クランクシャフトの回転変動をフィルタリングしてトルクに変換する方法がある。本実施形態では、燃焼時の発生トルクを検出する方法の中で、クランクシャフト１１の回転変動を検出して発生トルクを検出する方法に関するものである。

次に、従来の４気筒内燃機関のクランク角検出方法を図６Ａ、図６Ｂに基づき簡単に説明するが、このクランク角を検出することによって、燃焼気筒のピストン位置やクランクシャフトの回転速度を検出できるものである。

図６Ａにおいて、クランク角シグナルプレート１２はクランクシャフトと直結されており、クランク角シグナルプレート１２の外周縁には等間隔に１０°毎に、第１の所定幅に形成された長信号歯１２ｗが設けられるが、１８０°毎に２歯分の長信号歯１２ｗを欠いた欠け歯領域部１２ａ、１２ｂを設けている。長信号歯１２ｗは、軸方向にそって凹凸形状に形成されており、ＧＭＲ素子等を利用した磁気センサによって、凹凸形状に対応した信号が得られるものである。

クランクシャフト１１の回転に伴ってクランク角シグナルプレート１２が回転すると、クランク角センサ１３は長信号歯１２ｗの凸凹を検出して、図６Ｂの単位角度信号である信号矩形波１３ａのようなパターンの矩形波をＥＣＵ３３へ出力する。矩形波１３ａのパターンは、基本的には１０°毎のパルスであるが、１８０°毎に２個のパルス抜けが生じているものである。この２個のパルス抜けは、欠け歯領域部１２ａ、１２ｂに起因するものである。

ＥＣＵ３３は、矩形波１３ａの立下りタイミングを基準にして立下がり周期カウンタをスタートして、次の立下りタイミングまで立下がり周期カウンタの計数値１３ｂを加算していき、加算された計数値１３ｂから周期を計測するものである。ここで、回転速度が一定とすると、立下がり周期カウンタの計数値１３ｂの値は略「ｋ」値となる。

立下がり周期カウンタの計数値１３ｂも、矩形波１３ａのパターンに対応しており、１０°毎に対応した計数値と、１８０°毎に発生するパルス抜けに対応した３０°の計数値となっている。したがって、立下がり周期カウンタの計数値１３ｂによって計測された、立下りタイミングの間の周期（時間間隔）に単位時間を乗じることで、角速度（クランクシャフトの回転速度）を算出することができる。

また、図６Ｂに示すように欠け歯領域部１２ａ、１２ｂでは３０°に対応した周期となるため、この欠け歯領域部１２ａ、１２ｂで決まるタイミングを、例えばピストンが圧縮上死点前５０°の基準として設定することができる。この欠け歯領域部１２ａ、１２ｂによるピストン位置の算出方法は周知の方法で行うことができる。

そして、この欠け歯領域部１２ａ、１２ｂで生成されるタイミングによってピストン位置の検出を行ない、燃料の噴射開始時期や噴射終了時期、及び点火コイルの通電開始時期や通電終了時期（＝点火時期）の制御を実行できるようになる。したがって、この欠け歯領域部１２ａ、１２ｂによって生成されるピストン位置情報は、内燃機関を制御する上で必須の制御情報である。

このように、クランク角シグナルプレート１２に欠け歯領域部１２ａ、１２ｂを設けることにより、内燃機関の制御に必要な燃料噴射時期や点火時期の基準を定めることができるが、回転速度を計測する場合は、欠け歯領域部１２ａ、１２ｂの３０°区間の周期情報の更新が無いため、他の１０°区間と比較して回転速度の検出精度が劣る区間が存在することになる。したがって、クランクシャフト１１の回転変動から燃焼変動を求める場合は、欠け歯領域部１２ａ、１２ｂがなくて、１０°毎に３６歯の矩形波信号で回転速度を求めた方が精度は向上して望ましい。

このためには、燃焼変動を検出するクランク角シグナルプレート、及び燃焼気筒のピストン位置を検出するクランク角シグナルプレートを設けることも考えられるが、システムの大幅な設計変更、重量の増加、センサ用ハーネスの追加、ＥＣＵの入力ポートの増設等が必要となるため、大きなコストアップを招くという新たな課題を生じる。

本発明の第１の実施形態は、上述した課題に対応するために、１個のクランク角シグナルプレートによって、欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成すると共に、欠け歯部がない状態の単位角度毎の周期信号を生成できるクランク角度検出装置を提案するものである。

次に、図２Ａ〜図４に基づき本発明の第１の実施形態について詳細に説明する。図２Ａはクランク角検出装置の構成を示し、図２Ｂは信号歯の立下がりタイミングと立上がりタイミングに基づく周期カウンタのタイムチャートを示している。また、図３Ａは内燃機関の制御装置の具体的な制御ブロックを示し、図３Ｂは、図３Ａの制御ブロックによる信号歯の立下がりタイミングと立上がりタイミングに基づく周期カウンタのタイムチャートを示している。更に、図４は制御ブロックの動作を実行する制御フローチャートを示している。

図２Ａにおいて、クランク角シグナルプレート１２の外周には、等角度間隔で１０°毎に３６個の信号歯を設けており、第１の所定幅に形成された長信号歯（第１信号歯）１２ｗと、信号歯１２ｗの第１の所定幅より短い第２の所定幅の短信号歯（第２信号歯）１２ｎが設けられている。

第２の所定幅の短信号歯１２ｎは、従来の欠け歯領域部１２ａ、１２ｂに対応する１８０°毎の短信号歯領域部１２ｃ、１２ｄに設けられており、本実施形態では２個の短信号歯１２ｎを設けている。短信号歯１２ｎは、回転方向で見て、先行側短信号歯１２ｎ１と、後行側短信号歯１２ｎ２とから構成されており、その幅の長さは同一である。

ここで、クランク角シグナルプレート１２の回転方向で見て、短信号歯１２ｎ１、１２ｎ２の立下りタイミング位置は、他の長信号歯１２ｗの立下りタイミング位置と同位置で、等角度間隔とすることが必要である。つまり、短信号歯１２ｎと長信号歯１２ｗの立下がりタイミング位置が１０°間隔とされ、これによって、クランク角シグナルプレート１２の全周で１０°毎の立下がりタイミングを得ることができる。

一方、クランク角シグナルプレート１２の回転方向で見て、短信号歯１２ｎの立上がりタイミング位置は、他の長信号歯１２ｗの立上がりタイミング位置より遅れているものである。これによって、１８０°毎のピストン位置判定のための立上がりタイミングを得ることができる。尚、長信号歯１２ｗと短信号歯１２ｎは、軸方向にそって凹凸形状に形成されており、ＧＭＲ素子等を利用した磁気センサによって、凹凸形状に対応した信号が得られることは従来と同様である。

ここでＥＣＵ３３は、両信号歯１２ｗ、１２ｎの立上がりタイミングと立下りタイミングを検出でき、更に、夫々の立上がりタイミングの間の周期を検出できる立上がり周期カウンタと、夫々の立下りタイミングの間の周期を検出できる立下がり周期カウンタを備えているものである。このような信号歯１２ｗ、１２ｎの立上がりタイミングと立下りタイミングを検出するには、信号歯によって発生される検出信号の前後の値を比較することで検出することができ、この方法は良く知られた技術である。また、これ以外の方法で検出しても差し支えないものである。

したがって、立上がりタイミングと立下りタイミングに応じて、夫々の周期カウンタのスタートとリセットを制御することができる。本実施形態の周期カウンタは、計数値のリセットに同期して、計数値の計数がスタートされるものである。

そして、クランクシャフト１の回転に伴って、クランク角シグナルプレート１２が回転すると、クランク角センサ１３は長信号歯１２ｗと短信号歯１２ｎの凸凹を検出して、図２Ｂの矩形波１３ｃのようなパターンの矩形波をＥＣＵ３３へ出力する。矩形波１３ｃのパターンは、クランクシャフト１１の１回転当りで立下がりタイミング位置が１０°毎の３６個のパルスであるが、短信号歯領域部１２ｃ、１２ｄの短信号歯１２ｎについてはパルス幅が短くなっている。そして、この短信号歯１２ｎのパルスが、欠け歯領域部１２ａ、１２ｂの機能を果たすようになっている。

ＥＣＵ３３は、矩形波１３ｃの立下りタイミングを基準に立下がり周期カウンタをスタートして、次の立下りタイミングまで立下がり周期カウンタの計数値１３ｄを加算し、加算された計数値１３ｄから周期を計測する。つまり、立下りタイミング間の周期を計測した計数値１３ｄに示すように、１０°毎にカウントアップを繰り返す波形を形成するものである。ここで、回転速度が一定とすると周期カウンタの計数値１３ｄの値は略「ｋ」値となる。

したがって、立下りカウンタの計数値１３ｄによって計測された立下りタイミング間の周期に単位時間を乗じることで、クランク角シグナルプレート１２の全周に亘って１０°毎の角速度を算出することができる。このように、本実施形態のクランク角シグナルプレート１２には、欠き歯領域部１２a、１２ｂが存在しないので、回転速度の検出精度を向上することができる。

一方、ＥＣＵ３３は矩形波１３ｃの立上がりタイミングを基準にして立上がり周期カウンタをスタートして、次の立上がりタイミングまで立上がり周期カウンタの計数値１３ｅを加算し、加算された計数値１３ｅから周期を計測する。ここで、短信号歯１２ｎについてはパルス幅が短くなっているので、立上がり周期を計測した計数値１３ｅは、短信号歯領域部１２ｃ、１２ｄで不等ピッチとなるため、他の長信号歯１２ｗの計数値とは異なる値となり、短信号歯領域部１２ｃ、１２ｄの区間のみ特徴的な波形を形成するようになる。この特徴的な波形を用いて立下がり周期カウンタの計数状態を制御することで、立下がり周期カウンタの計数値に欠け歯部１２ａ、１２ｂと等価な計数値を形成するものである。

代表して短信号歯領域部１２ｃについて説明すると、先行側短信号歯１２ｎ１のパルスＰｌｓ１の直前の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングｔ１でスタートした立上がり周期カウンタは、計数動作を実行しながら先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングｔ２でリセットされる。そして、短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングの到来が遅れているので、計数値１３ｅの値は「Ｋ」値より大きな「Ｋａ」値となる。

次に、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングｔ２と、後行側短信号歯１２ｎ２の立上がりタイミングｔ３の間は角度が１０°であるため、計数値１３ｅの値は「Ｋ」値となっている。これは他の長信号歯１２ｗの計数値と同じ値である。

一方、後行側短信号歯１２ｎ２のパルスＰｌｓ２の立上がりタイミングｔ３でスタートした立上がり周期カウンタは、後行側短信号歯１２ｎ２のパルスＰｌｓ２の直後の長信号歯１２Ｗの立上がりタイミングｔ４でリセットされるが、短信号歯１２ｎ２の立上がりタイミングの到来が遅れているので、計数値１３ｅの値は「Ｋ」値より小さな「Ｋｂ」値となる。

したがって、立上がり周期カウンタの値が「Ｋａ」値〜「Ｋｂ」値の間にある範囲が、従来の欠け歯領域１２ａ、１２ｂと見做すことができる。したがって、これを利用して、立下がり周期カウンタの計数状態を制御すれば、従来の欠け歯領域１２ａ、１２ｂと同様の計数値を得ることができ、ＥＣＵ３３で実行される燃料制御や点火制御のソフトウエアを大幅に改変することなく、燃料制御や点火制御を実行することが可能となる。

図３Ａは、図２Ｂで取得した立下り周期カウンタの計数値１３ｄと、立上がり周期カウンタの計数値１３ｅから、図６ｂに示す欠け歯領域１２a、１２ｂに対応する立下り周期カウンタの計数値１３ｈを生成する制御ブロックを示している。

図３Ａにおいて、クランク角センサ１３の信号はＥＣＵ３３に設けられた立下がり周期計測手段３４と、立上がり周期計測手段３５に入力されている。立下がり周期計測手段３４では、図２Ｂに示すように立下がり周期カウンタによって計数値１３ｄを形成し、この計数値１３ｄは回転変動計測手段３７と、欠け歯区間生成手段に３６に送られる。

回転変動計測手段３７では、図２Ｂに示す立下がり周期カウンタによって計数値１３ｄが入力されているので、クランク角シグナルプレート１２の全周に亘って、等角度間隔に形成した長信号歯１２ｗと短信号歯１２ｎの立下がり位置に対応した、１０°毎の周期に基づいて回転速度が求められる。したがって、欠け歯領域部１２ａ、１２ｂが存在しないので、従来の欠け歯領域部１２ａ、１２ｂに起因する回転速度の検出精度の低下を抑制することができる。

一方、立上がり周期計測手段３５では、図２Ｂに示すように立上がり周期カウンタによって計数値１３ｅを形成し、この計数値１３ｅは欠け歯区間生成手段３６に送られる。欠け歯区間生成手段３６では、立上がり周期計測手段３５による計数値１３ｅから短信号歯１２ｎの存在を判断して後述する欠け歯区間生成フラグを生成し、欠け歯区間生成フラグによって立下がり周期カウンタの計数状態を制御して、立下がり周期計測手段３４による計数値に従来の欠け歯領域１２ａ、１２ｂと同様の計数値を形成してピストン位置信号を得るものである。

次に、立下がり周期カウンタの計数値１３ｄと、立上がり周期カウンタの計数値１３ｅを利用して、欠け歯領域１２ａ、１２ｂと同様の計数値１３ｈを生成する方法を図３Ｂに基づいて説明する。

立上がりタイミングｔ１から立上がり周期カウンタが計数を開始した後に、立上がりタイミングｔ２になって欠け歯区間検出フラグに「１」を立てると共に、立上がり周期カウンタをリセットする。尚、この時の計数値１３ｅは「Ｋａ」値以上となっており、長信号歯１２ｗの場合の計数値「Ｋ」値より大きくなっている。これによって短信号歯領域１２ｃに突入したことが判断できる。

この欠け歯区間検出フラグに「１」を立てるタイミングは、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングを検出できれば良いものである。このためには種々の方法があるが、計数値「Ｋ」を越えた立上がり周期カウンタの計数方向が「＋」方向から「−」方向に変化した時点を、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングとしても良いものである。要は、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングが検出できれば良いものであり、これによって、短信号歯領域部１２ｃ（欠け歯部領域１２ａに相当）に突入したことが判断できる。

次に、立上がりタイミングｔ２でのリセットと同時に、再び立上がり周期カウンタが計数を開始するが、ここで、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングが検出されると、次の周期は先行側短信号歯１２ｎ１と後行側短信号歯１２ｎ２の間であることが判明しているので、この区間は短信号歯領域部１２ｃ（欠け歯部領域１２ａに相当）と見做して欠け歯区間検出フラグ「１」を維持している。そして、立上がりタイミングｔ３になると立上がり周期カウンタをリセットする。

次に、立上がりタイミングｔ３でのリセットと同時に、再び立上がり周期カウンタが計数を開始するが、立上がりタイミングｔ４になって欠け歯区間検出フラグに「０」を立てると共に、立上がり周期カウンタをリセットする。尚、この時の計数値１３ｅは「Ｋｂ」値以下となっており、長信号歯１２ｗの場合の計数値「Ｋ」値より小さくなっている。この欠け歯区間検出フラグを「０」にクリアするタイミングは、後行側短信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングを検出できれば良いものである。

このためには種々の方法があるが、計数値「Ｋ」に満たない立上がり周期カウンタの計数方向が「＋」方向から「−」方向に変化した時点を、後行側短信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングとしても良いものである。要は、後行側短信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングが検出できれば良いものであり、これによって、短信号歯領域部１２ｃ（欠け歯部領域１２ａに相当）を離脱したことが判断できる。

したがって、欠け歯区間検出フラグ「１」の区間「Ｆｌｇ１」が欠け歯部領域１２ａに相当するようになる。したがって、この区間「Ｆｌｇ１」の間だけ、立下がりタイミングで起動される立下がり周期カウンタの計数動作を継続すれば、欠け歯部領域１２ａと同様の計数波形が得られるようになる。

つまり、立下がり周期カウンタの計数値１３ｄは、上述の欠け歯区間検出フラグによって計数状態が変更されるものである。欠け歯区間検出フラグが「１」になった時点は、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングｔ２であるので、この欠け歯区間検出フラグが「１」になると、立下がり周期カウンタの立下がりタイミングによるリセット動作を無効の状態に移行させる。したがって、欠け歯区間検出フラグが「１」になった後の先行側短信号歯１２ｎ１の立下がりタイミングｔ５が到来しても、立下がりタイミングt５による立下がり周期カウンタの計数値はリセットされず、そのまま計数を継続して計数値１３ｈのような計数動作を行なうことになる。

そして、後行側短信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングt４で、欠け歯区間検出フラグが「０」になると立下がり周期カウンタの立下がりタイミングによるリセット動作を有効の状態に復帰させる。したがって、後行側短信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立下がりタイミングｔ６で、立下がり周期カウンタがリセットされる。その後においては、次の短信号歯領域部１２ｄに至るまで長信号歯１２ｗによる立下がりタイミングで計数動作が繰り返されるようになる。

このように、先行側短信号歯１２ｎ１と後行側短信号歯１２ｎ２によって形成される欠け歯区間検出フラグで、立下がり周期カウンタの計数状態を制御することで、欠け歯領域１２ａ、１２ｂと同様の計数値１３ｈを得ることができ、ピストン位置信号を生成することができるようになる。

上述した制御は基本的にはＥＣＵ３３に内蔵されているマイクロコンピュータで実行されるものであるので、次に上述の制御を実行する場合の制御フローを図４に基づき簡単に説明する。

図４において、立上がり周期カウンタの制御と、立下がり周期カウンタの制御は時分割的に並行して実行されるものである。

まず、立上がり周期カウンタの制御について説明する。ステップＳ１１においては、クランク角センサの信号を取り込むが、この信号は図３Ｂの矩形波１３ｃに示すものである。矩形波１３ｃの取り込みが完了すると次のステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２においては、入力された信号が「０Ｖ」から「５Ｖ」に変化したかどうかを判断している。これは、長信号歯１２ｗ、短信号歯１２ｎの立上がりタイミングを検出するものである。立上がりタイミングでなければ、再びステップＳ１１に戻り、立上がりタイミングであれば、ステップＳ１３に移行する。

ステップＳ１３においては、立上がり周期カウンタによって立上がりタイミングに同期して計数を行ない、図３Ｂの計数値１３ｅを形成する。この計数が完了するとステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４においては、図３Ｂの立上がり周期カウンタの計数値１３ｅから先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングかどうかを判断している。先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングであればステップＳ１５に移行し、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングでなければステップＳ１６に移行する。ステップＳ１５では、先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングであると判断されているので、図３Ｂの欠け歯区間生成フラグに「１」を立てて再びステップＳ１１に戻る。

一方、ステップＳ１６においては、ステップＳ１４で先行側短信号歯１２ｎ１の立上がりタイミングでないと判断されているので、後行側信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングかどうかを判断している。後行側信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングと判断されるとステップＳ１７に移行し、後行側信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングでないと判断されるとステップＳ１８に移行する。

ステップＳ１７においては、後行側信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングであると判断されているので、図３Ｂの欠け歯区間生成フラグに「０」を立てて再びステップＳ１１に戻る。一方、ステップＳ１８では、ステップＳ１６で後行側信号歯１２ｎ２の直後の長信号歯１２ｗの立上がりタイミングでないと判断されているので、立上がり周期カウンタをリセットして、図３Ｂの長信号歯１２ｗに対応した計数を繰り返すものである。立上がり周期カウンタがリセットされると再びステップＳ１１に戻るものである。

以上のステップＳ１１〜ステップＳ１８までの制御ステップによって、図３Ｂの立上がり周期カウンタの計数値１３ｅと、欠け歯区間生成フラグが得られるものである。そして、欠け歯区間生成フラグは立下がり周期カウンタの制御に用いられ、欠け歯領域１２a、１２ｂに対応した計数値の生成を行なうようになる。

次に、立下がり周期カウンタの制御について説明する。ステップＳ２１においては、クランク角センサの信号を取り込むが、この信号も図３Ｂの矩形波１３ｃに示すものである。矩形波１３ｃの取り込みが完了すると次のステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２においては、入力された信号が「５Ｖ」から「０Ｖ」に変化したかどうかを判断している。

これは、長信号歯１２ｗ、短信号歯１２ｎの立下がりタイミングを検出するものである。立下がりタイミングでなければ、再びステップＳ２１に戻り、立下がりタイミングであれば、ステップＳ２３に移行する。ステップＳ２３においては、図３Ｂの立下がり周期カウンタによって、夫々の立下がりタイミングに同期して計数のスタートとリセットを繰り返して、計数値１３ｄを形成している。この計数値１３ｄの計数が完了するとステップＳ２４に移行する。

ステップＳ２４においては、上述したステップＳ１４、Ｓ１５で設定した、欠け歯区間生成フラグが「１」か、或いは「０」かどうかを判断している。欠け歯区間生成フラグが「１」である場合はステップＳ２６に移行し、欠け歯区間生成フラグが「０」の場合はステップＳ２５に移行する。

ステップＳ２６では、欠け歯区間生成フラグが「１」であるため、図３Ｂに示すように、立下がり周期カウンタは立下がりタイミングによるリセット動作が無効とされ、立下がり周期カウンタの計数動作が継続される。これによって立下がり周期カウンタは計数値１３ｈのような計数動作を行なうものとなる。また、ステップＳ２５においては、欠け歯区間生成フラグが「０」であるため、次の立下がりタイミングで立下がり周期カウンタをリセットする。この後にステップＳ２１に戻るものである。

以上のステップＳ２１〜ステップＳ２６までの制御ステップによって、図３Ｂの立下がり周期カウンタの計数値１３ｇが得られるものである。

このようにして、欠け歯区間を生成した立下がり周期カウンタの計数値１３ｇによってピストン位置信号を生成できるので、燃焼気筒のピストン位置の検出ができると共に、立下がり周期カウンタの計数値１３ｄによって欠け歯部がない状態の等角度間隔毎の周期信号を生成できるので、クランクシャフトの回転速度を高い精度で検出することができるようになるものである。

したがって、回転速度を求めるクランク角シグナルプレート、ピストン位置信号を求めるクランク角シグナルプレート、及びこれに対応したクランク角センサを設ける必要がなく、システムの大幅な設計変更、重量増加、センサ用ハーネスの追加、ＥＣＵの入力ポートの増設が不要となるため、コストアップを抑えた制御システムを構築できるようになる。

次に本発明の第２の実施形態について図５Ａ、図５Ｂを用いて説明する。本実施形態では、クランク角センサを２個使用してクランクシャフトの回転速度を検出する例を示すものである。ここで、図２Ａ、図３Ａに付した参照番号と同じ参照番号は、同じ構成部品であるのでその説明は省略する。

図５Ａにあるように、クランク角センサ１３の他に、１８０°対向した位置に第２のクランク角センサ１４が配置されている。このクランク角センサ１４はクランク角センサ１３と同じ構成のものであり、図２Ｂに示す矩形波１３ｃと同じパターンの矩形波を発生している。

また、図５Ｂにあるように、ＥＣＵ３３には第２の立下がり周期計測手段３９が設けられており、この第２の立下がり計測手段３９には第２のクランク角センサ１４からの矩形波１３ｃが入力されている。この第２の立下がり周期計測手段３９の動作は、第１の立下がり周期計測手段３４と同様の計数動作を実行するものである。

第１の立下がり周期計測手段３４、及び第２の立下がり周期計測手段３９の計数値１３ｄ、１４ｄは、角度誤差校正手段４０に入力されて誤差が校正されている。この誤差を校正して回転速度の計測精度を上げる方法としては、特許文献２で開示されている等分割平均法を用いることができる。等分割平均法は、２個のクランク角センサ１３、１４の出力信号を互いに比較して自己校正するものであり、検出精度の向上を図ることができる。角度誤差校正手段４０の周期信号は回転変動検出計測手段３７に入力されて回転速度の変動が求められるようになる。

第２の実施形態によれば、等分割平均法を使った角度誤差の校正が可能となり、更に精度が高い回転速度の計測を可能とするものである。

以上述べた通り本発明は、クランクシャフトに固定されたシグナルプレートの外周縁の全周に亘って、立上がりタイミングと立下がりタイミングを発生する等角度間隔に形成された第１の所定幅の第１信号歯と、第１信号歯の内の１つ以上の所定数の信号歯を、立下がりタイミングが第１信号歯と同一の角度間隔に設定され、しかも立上がりタイミングが第１信号歯より遅れた角度間隔に設定された、第１の所定幅より短い第２の所定幅を有する第２の信号歯と、第１信号歯と第２信号歯の立下がりタイミングで計数を行なう立下がり周期カウンタの計数値に基づいて等角度間隔毎の周期信号を生成する周期計測手段と、第１信号歯と前記第２信号歯の立上がりタイミングで計数を行なう立上がり周期カウンタの計数値に基づいて、立下がり周期カウンタの計数状態を制御してピストン位置信号を生成するピストン位置計測手段とを備えた、構成とした。

これによれば、第１の所定幅を有する第１信号歯と第２の所定幅の第２信号歯を備えることで、欠け歯部に対応したピストン位置信号を生成すると共に、欠け歯部がない状態の等角度間隔毎の周期信号を生成できるので、燃焼気筒のピストン位置の検出ができると共に、クランクシャフトの回転速度を高い精度で検出することができるようになるものである。

尚、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１０…内燃機関本体、１１…クランクシャフト、１１ａ…クランクシャフトプーリ、１２…クランク角シグナルプレート、１２ｗ…長信号歯、１２ｎ…短信号歯、１２ｃ、１２ｄ…短信号歯領域、１２ｎ１…先行側短進行歯、１２ｎ２…後行側短進行歯、１３…第１のクランク角センサ、１４…第２のクランク角センサ、１５…ピストン、１６…コンロッド、１７…カム角シグナルプレート、１８…カム角センサ、１９…アクセルペダルセンサ、２０…アクセルペダル、２１…スロットル開度センサ、２２…スロットルバルブ、２３…エアフロセンサ、２４…冷却水温センサ、２５…吸入空気温センサ、２６…空燃比センサ、２７…点火コイル、２８…点火プラグ、２９…インジェクタ、３０…高圧燃料ポンプ、３１…ＥＧＲバルブ、３２…トランスミッション、３３…ＥＣＵ、３４…立下がり周期計測手段、３５…立上がり周期計測手段、３６…欠け歯区間生成手段、３７…回転変動計測手段、３８…内燃機関の制御手段。

Claims (5)

1. クランクシャフトに固定されたシグナルプレートの外周縁の全周に亘って、立上がりタイミングと立下がりタイミングを発生する等角度間隔に形成された第１の所定幅の第１信号歯と、
   前記第１信号歯の内の１つ以上の所定数の信号歯を、前記立下がりタイミングが前記第１信号歯と同一の角度間隔に設定され、しかも前記立上がりタイミングが前記第１信号歯より遅れた角度間隔に設定された、前記第１の所定幅より短い第２の所定幅を有する第２信号歯と、
   前記シグナルプレートの前記第１信号歯と前記第２信号歯の前記立上がりタイミングと前記立下がりタイミングを検出するクランク角センサと、
   前記クランク角センサからの前記第１信号歯と前記第２信号歯の前記立下がりタイミングで計数動作を繰り返す立下がり周期カウンタの計数値に基づいて、等角度間隔毎の周期信号を生成する周期計測手段と、
   前記クランク角センサからの前記第１信号歯と前記第２信号歯の前記立上がりタイミングで計数動作を繰り返す立上がり周期カウンタの計数値に基づいて、前記立下がり周期カウンタの計数状態を制御してピストン位置信号を生成するピストン位置計測手段と
   を備えていることを特徴とするクランク角度検出装置。
2. 請求項１に記載のクランク角度検出装置において、
   前記周期計測手段の前記立下がり周期カウンタは、前記立下がりタイミングに対応して等角度間隔毎に計数を繰り返し、前記ピストン位置計測手段の前記立上がり周期カウンタは、前記立上がりタイミングに対応して計数を繰り返すと共に、
   前記ピストン位置計測手段は、前記立上がり周期カウンタによって前記第２信号歯の区間を特定すると共に、前記第２信号歯の前記区間に限って前記立下がり周期カウンタの前記立下がりタイミングによるリセット動作を無効として、前記立下がりカウンタの計数動作を継続する立下がり周期カウンタ制御手段を備えていることを特徴とするクランク角度検出装置。
3. 請求項２に記載のクランク角度検出装置において、
   前記立下がり周期カウンタ制御手段は、前記立上がり周期カウンタの計数値によって前記第２信号歯の前記区間を特定し、前記第２信号歯の前記区間を表す信号に基づいて前記立下がり周期カウンタの前記立下がりタイミングによるリセット動作を無効として、前記立下がりカウンタの計数動作を継続することを特徴とするクランク角度検出装置。
4. 請求項３に記載のクランク角度検出装置において、
   前記第２信号歯は、先行側信号歯と後行側信号歯の２個の信号歯から形成されていることを特徴するクランク角度検出装置。
5. 請求項２に記載のクランク角度検出装置において、
   前記クランク角センサは、同じ構成の第１クランク角センサと第２クランク角センサからなり、
   前記周期計測手段は、前記第１クランク角センサと前記第２クランク角センサに対応した、同じ構成の第１周期計測手段と第２周期計測手段からなり、
   前記第１周期計測手段と前記第２周期計測手段からの周期信号は、角度誤差校正手段に入力されて周期信号が校正されることを特徴するクランク角度検出装置。

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