(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6604551
(24)【登録日】2019年10月25日
(45)【発行日】2019年11月13日
(54)【発明の名称】信号成形装置と方法
(51)【国際特許分類】
G01H 17/00 20060101AFI20191031BHJP
【FI】
G01H17/00 A
【請求項の数】5
【全頁数】11
(21)【出願番号】特願2016-60647(P2016-60647)
(22)【出願日】2016年3月24日
(65)【公開番号】特開2017-173169(P2017-173169A)
(43)【公開日】2017年9月28日
【審査請求日】2019年1月25日
(73)【特許権者】
【識別番号】000000099
【氏名又は名称】株式会社IHI
(74)【代理人】
【識別番号】100097515
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 実
(74)【代理人】
【識別番号】100136700
【弁理士】
【氏名又は名称】野村 俊博
(72)【発明者】
【氏名】久光 豊
(72)【発明者】
【氏名】石川 光
【審査官】
本村 眞也
(56)【参考文献】
【文献】
特表2010−531954(JP,A)
【文献】
特開平07−306266(JP,A)
【文献】
特開平06−118173(JP,A)
【文献】
中国特許出願公開第103364069(CN,A)
【文献】
米国特許第05557099(US,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G01H 9/00;17/00
G01M 99/00
G01S 7/48−7/51;17/00−17/95
F01D 25/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【請求項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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
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。
【背景技術】
【0002】
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。
【0003】
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平6−118173号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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。
【課題を解決するための手段】
【0010】
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。
【0011】
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。
【発明の効果】
【0012】
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。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【
図3】本発明による信号成形装置の全体構成図である。
【
図4】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。
【
図7】本発明の信号成形方法の全体フロー図である。
【
図8】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。
【
図9】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。
【発明を実施するための形態】
【0014】
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。
【0015】
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。
【0016】
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。
【0017】
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。
【0018】
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。
【0019】
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。
【0020】
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。
【0021】
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。
【0022】
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。
【0023】
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。
【0024】
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。
【0025】
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。
【0026】
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。
【0027】
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。
【0028】
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。
【0029】
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。
【0030】
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。
【0031】
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。
【0032】
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。
【0033】
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。
【0034】
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。
【0035】
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。
【0036】
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。
【0037】
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。
【0038】
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。
【0039】
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。
【0040】
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。
【0041】
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。
【0042】
選択信号Jは、
図3の回路切替回路29に出力される。
【0043】
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。
【0044】
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。
【0045】
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。
【0046】
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。
【0047】
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。
【0048】
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。
【0049】
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。
【0050】
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。
【0051】
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。
【0052】
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。
【0053】
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。
【0054】
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。
【0055】
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。
【符号の説明】
【0056】
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