JP7031418B2 - 信号処理装置及びセンサ装置 - Google Patents

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接続される信号処理装置であって、発振部と、検出部とを備える。
前記発振部は、発振回路と、波形変形回路とを有する。前記発振回路は、正弦波信号を出力する。前記波形変形回路は、前記正弦波信号のうち基準電位より高い部分を第１の振幅、前記基準電位よりも低い部分を第２の振幅とし、前記検出コイルが断線したときに前記第１の振幅および前記第２の振幅のいずれか一方の波形を変形させる。
前記検出部は、第１の検波回路と、第２の検波回路と、差動増幅回路とを有する。前記第１の検波回路は、前記第１の振幅を検波する。前記第２の検波回路は、前記第２の振幅を検波する。前記差動増幅回路は、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。

前記波形変形回路は、クリップ回路であってもよい。

前記検出部は、前記差動増幅回路の出力を２値化する２値化回路をさらに有してもよい。

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信号検出装置を備えたセンサ装置の構成を概略的に示すブロック図である。 上記信号検出装置における発振部の構成例を示す回路図である。 発振部から出力される信号波形の一例であって、Ａは通常時の信号波形を示し、Ｂはセンサトップの故障時の信号波形を示す。 上記信号検出装置における検出部の構成例を示す回路図である。 センサトップの故障時に出力される発振回路の信号波形（Ａ）、差動増幅回路の信号波形（Ｂ）及び二値化回路の信号波形（Ｃ）をそれぞれ示す模式図である。

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、信号検出装置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、信号検出装置２０の発振部２１に接続され、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。

信号検出装置２０は、発振部２１と、検出部２２とを有する。発振部２１は、発振回路２１１と、波形変形回路２１２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、発振部２１の構成例を示す回路図である。

発振回路２１１は、共振コンデンサＣと、共振コンデンサＣと並列に接続された検出コイルＬ１及び内部コイルＬ２とを含む。また発振回路で必要な増幅素子についてはここでは図示を省略している。検出コイルＬ１と内部コイルＬ２とは共振コンデンサＣに直列にかつコイル同士は互いに並列に接続される。発振回路２１１は、図示しない電源から電圧が入力されることで、共振コンデンサＣの静電容量と検出コイルＬ１及び内部コイルＬ２の合成インダクタンスとにより定まる発振周波数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２１１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２１１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の回転速度が検出される。

波形変形回路２１２は、センサトップ１０（検出コイルＬ１）が断線したときに、発振回路２１１の出力信号の波形を変形させるためのものである。
すなわち、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２１１が検波回路２１１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。そこで本実施形態では、図１に概念的に示すように、検出コイルＬ１の断線時に波形変形回路２１２を機能させ、検出コイルＬ１の断線時に発振回路２１１の信号波形を意図的に変形させる。

共振回路２１１が出力する正弦波信号のうち基準電位（本例ではグランド電位）よりも高い部分を第１の振幅、上記基準電位よりも低い部分を第２の振幅とすると、本実施形態において波形変形回路２１２は、検出コイルＬ１が断線したときに第２の振幅の波形を変形させることが可能なクリップ回路で形成される。このクリップ回路は、入力された負電位の信号波形を所定電圧以下に制限（クリップ）して正電位の信号波形と非対称となるように変形させる。

ここで、検出コイルＬ１が断線すると、発振回路２１１の合成インダクタンスが大きくなるため発振周波数ｆ０は低下するとともに、発振回路２１１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。例えば、発振回路２１１は、検出コイルＬ１が断線したとき、発振周波数が３．５ＭＨｚ（通常時）から８００ｋＨｚ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。
ここで例えば検出コイルＬ１の断線の検出に関しては、上述の発振周波数の変化や信号電圧の変化を利用すればよい。あるいは検出コイルＬ１に直流電流を流す別回路を付加し、その電流値の変化を検知するなどの方法も考えられる。

波形変形回路２１２は、検出コイルＬ１が断線したときに上昇する信号電圧のうち負側の正弦波の一部をクリップする。一例として、図３Ａに通常時における発振回路２１１の信号波形を示し、図３Ｂに検出コイルＬ１の断線時における発振回路２１１の信号波形を示す。上記所定電圧は、検出コイルＬ１が断線したときに負側の正弦波のピーク電圧付近をクリップし、ピーク電圧がクリップ前の例えば１／２倍となるように設定されればよい。

このように、本実施形態の波形変形回路２１２は、検出コイルＬ１が断線していない通常時には機能せず、検出コイルＬ１が断線したときのみ機能する。このため、図１に概念的に示したように、波形変形回路２１２は、検出コイルＬ１の断線（オープン）を検出したときのみ波形整形を開始させるスイッチＳＷを有する。
スイッチＳＷの制御を行うブロックについては図示を省略しているが、前述の断線の検出方法により断線を検出し、スイッチＳＷをオンとする制御となる。

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２１１に接続される第１の信号線Ｓ１と基準電位との間に並列に接続される。そして、コンデンサＣ２及び抵抗Ｒ１は、発振回路２１１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２１１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。そして、コンデンサＣ５及び抵抗Ｒ２は、発振回路２１１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信号電圧の変動を検出することができる適宜の値に設定される。二値化回路２２３は、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う電圧変動を、その回転数に応じた周波数のパルス信号として出力する。

また、二値化回路２２３は、センサトップ１０の故障時に波形変形回路２１２によって変形させられ、差動増幅回路２２２によって増幅された発振回路２１１の出力波形（正弦波）の正電位側（第１の振幅）と負電位側（第２の振幅）との間に所定以上の振幅差が検出されたときに結果としてパルス信号が出力される。

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、回転タービン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、回転タービン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。

以上のように構成される検出部２２において、第１の検波回路２２１Ａは、発振回路２１１から出力される検出信号を検波して正電位のパルス信号に変換し、第２の検波回路２２１Ｂは、発振回路２１１から出力される検出信号を検波して負電位のパルス信号に変換する。発振回路２１１から出力される検出信号は、センサトップ１０に回転タービンＴが接近したときに振幅が小さくなり、センサトップ１０から回転タービン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、回転タービンＴの回転数に応じて検出信号の振幅が周期的に変化するため、二値化回路２２３及び分周回路２２４を介して、回転タービンＴの回転数に関する情報がＥＣＵ３０へ出力される。

一方、回転タービンＴの回転が停止しているときは、発振回路２１１から出力される検出信号の振幅は変化しない。このため、検波回路２２１（第１の検波回路２２１Ａ及び第２の検波回路２２１Ｂ）の検出電圧及び差動増幅回路２２２の出力がいずれも一定であるため、二値化回路２２３の出力（パルス信号）は出力されなくなる。

次に、検出コイルＬ１の断線等による検出コイルＬ１の断線（センサトップ１０の故障）検知方法について説明する。図５Ａ～Ｃはそれぞれ、発振回路２１１、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る。

検出コイルＬ１が断線したとき、上述のように、発振回路２１１の発振周波数ｆ0が低下し、信号電圧Ｖが大きくなる。このため、発振回路２１１は、波形変形回路２１２により正弦波の負電位側の第２の振幅のピーク領域がクリップされた検出信号を出力する（図５Ａ参照）。検波回路２２１は、正弦波の正電位側の第１の振幅と、上記第２の振幅とを検波する。

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の出力信号の差分を増幅し、二値化回路２２３へ出力する（図５Ｂ参照）。二値化回路２２３は、差動増幅回路２２２の出力信号のうち所定電位（Ｖｒｅｆ）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（図５Ｂ，Ｃ参照）。二値化回路２２３の出力は、分周回路２２４を介してＥＣＵ３０へ出力される。前述の通り断線により発振回路２１１の発振周波数ｆ０は低下するため、これによりパルスの周波数も低下する。これによりＥＣＵ３０はセンサトップ１０の故障を知ることができる。

以上のように本実施形態によれば、発振部２１が波形変形回路２１２を備えているため、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、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２１１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部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、波形変形回路２１２は、発振回路２１１が出力する正弦波信号のうち基準電位よりも低い第２の振幅の波形を変形させるように構成されたが、これに限られず、基準電位よりも高い第１の振幅の波形を変形させるように構成されてもよい。これによっても第１の信号成分と第２の信号成分とを基準電位に対して非対称な信号波形を形成することができるので、上述と同様の作用効果を得ることができる。

また、波形変形回路２１２を構成するクリップ回路は、ピーククリッパに限られず、ベースクリッパであってもよい。さらに、クリップ回路以外の他の波形変形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…信号検出装置
２１…発振部
２２…検出部
３０…ＥＣＵ
１００…センサ装置
２１１…発振回路
２１２…波形変形回路
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 (4)

1. 信号検出用の検出コイルに接続される信号処理装置であって、
   正弦波信号を出力する発振回路と、
   前記正弦波信号のうち基準電位より高い部分を第１の振幅、前記基準電位よりも低い部分を第２の振幅とし、前記検出コイルが断線したときに前記第１の振幅および前記第２の振幅のいずれか一方の波形を変形させる波形変形回路と、を有する発振部と、
   前記第１の振幅を検波する第１の検波回路と、前記第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、を有する検出部と
   を備えることを特徴とする信号処理装置。
2. 請求項１に記載の信号処理装置であって、
   前記波形変形回路は、クリップ回路である信号処理装置。
3. 請求項１又は２に記載の信号処理装置であって、
   前記検出部は、前記差動増幅回路の出力を２値化する２値化回路をさらに有する信号処理装置。
4. 請求項１に記載の信号処理装置を備えたセンサ装置。

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