JP2008528990A

JP2008528990A - 位置検出器

Info

Publication number: JP2008528990A
Application number: JP2007552673A
Authority: JP
Inventors: ヴィルタネン，アリ
Original assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Current assignee: Valtion Teknillinen Tutkimuskeskus
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2006-01-25
Publication date: 2008-07-31
Also published as: FI20055042A; CN100510642C; US7982473B2; US20090174390A1; FI118059B; CN101124459A; WO2006079690A1; EP1842033A1; EP1842033A4; FI20055042A0

Abstract

制御手段４の位置を決定する際に使用される位置検出器の診断方法であって、該位置検出器は、抵抗路１２と、該抵抗路１２の第１の端部と接続する第１の端子Ｔ_１と、該抵抗路１２の第２の端部と接続する第２の端子Ｔ_２と、該制御手段４の位置の変化の影響によって該抵抗路に対して移動するように設けられた、該抵抗路１２に電気的に接続されたスライド手段１１とを少なくとも備える。さらに、該位置検出器は、該スライド手段１１と接続するスライド端子Ｔ_Ｓと、電力電源Ｖ_Ｓと、電圧測定手段２と、測定データを診断する信号処理ユニット３とを備える。本方法では、電源電圧Ｖ_Ｓが該スライド端子Ｔ_Ｓ内に配設され、該第１の端子Ｔ_１の出力電圧Ｕ_１が測定され、該第２の端子Ｔ_２の出力電圧Ｕ_２が測定され、少なくとも第１および第２の出力電圧Ｕ_１，Ｕ_２が該信号処理ユニット３に配設される。

Description

発明の詳細な説明

発明の分野
本発明は、添付請求項１の前提部に従う位置検出器の診断方法に関する。さらに、本発明は、添付請求項５の前提部に従う位置検出器に関する。

発明の背景
ポテンショメータに基づく位置センサは、一般に様々な車両や工作機械の構造体および部品の位置データ形成の際に使用される。一般に、装置の構造体を回転させるとポテンショメータが回転し、可変抵抗器の抵抗が変化する。抵抗の変化は構造体の位置の変化として解釈され、幾つかのアプリケーションにおいて特定の機能につながる。たとえば車両においてアクセル位置の変化は、ガソリン供給システムに影響を及ぼす。

複数回の使用において故障が発生しないことが非常に重要である。このため、部品保証が複数のアプリケーションにおいて使用される。たとえばアクセルの移動は２個以上のセンサによって測定可能であり、この場合１個のセンサが損傷しても必ずしも故障には至らない。

個々のポテンショメータの状態のモニタに関する様々な解決手段も開発されている。このような解決手段の１つが米国特許第６１８４６９５号明細書に開示されており、そこでは電位差センサ用の診断回路が開示されている。該公報に従う解決手段の主要原理は、交流電圧が可変抵抗のスライド接点に供給され、これによってスライド接点の抵抗が決定されるというものである。この抵抗値に基づいて可変抵抗の状態のモニタが可能になる。しかしながら、前記解決手段は相対的に複雑であり、明らかになるのは可変抵抗の抵抗変化だけである。

発明の要約
そこで、電位差センサの汎用的な状態モニタが簡単に可能となる解決手段が発明された。

この目的を達成するために、本発明に従う位置検出器の診断方法は、独立請求項１の特徴部に示される内容を主に特徴とする。また本発明に従う位置検出器は、独立請求項５の特徴部に示される内容を主に特徴とする。他の従属請求項は、本発明の幾つかの好適な実施形態を示す。

本発明の基本的な考え方は、可変抵抗の電圧源がスライドに接続され、電圧が抵抗路の両端から測定されるというものである。両端の電圧はスライドの位置に従って変動し、この場合位置データは一端または両端の電圧に基づいて決定することができる。端部とグラウンド面（グラウンド基準電位）と間には都合よく適切な抵抗がある。

本発明に従う解決手段によって、断線が検出されるようにポテンショメータのコードをモニタすることが可能である。

本発明の別の実施形態によって、短絡接続が検出されるようにポテンショメータのコードをモニタすることが可能である。

また本発明の実施形態によって、位置データに実質的に影響を及ぼすことなくポテンショメータに交流電圧を供給することが可能である。

本発明の実施形態によって、通常動作中の接触抵抗を測定することが可能となり、ポテンショメータの摩耗に関する事前情報が得られる。この情報は、たとえば先行状態モニタリングで使用することができる。

本発明の実施形態に従う構造体を幾つかのアプリケーションで使用することによって、故障したポテンショメータであっても複数のアプリケーションに充分な位置データを提供することができるため、必ずしも複数のポテンショメータで保証する必要がない。

発明の詳細説明
以下に、添付図面を参照しながら本発明をさらに詳しく説明する。
明白にするために、図面は本発明の理解に必要な程度の細部を示すのみとする。本発明の理解に必要ではなく、当業者にとって明白である構造および細部は、本発明の特徴を強調するために図面から省略されている。

図１は、本発明の基本的な考え方に従う接続を示す。さらに、図２は以下で計算式に関連して使用される電流および電圧の記号を示す。また図３は、制御手段４が可変抵抗１および特にそのスライド手段１１を制御するように設けられる実施形態を示す。

可変抵抗１の供給電圧Ｖ_Ｓは、スライド端子Ｔ_Ｓ、すなわち供給端子に供給され、供給端子の接触抵抗は図中の参照符号Ｒ_Ｓで表示される。スライド端子Ｔ_Ｓは、スライド手段、すなわち抵抗路１２に接続されたスライド１１を経由し、スライド１１の抵抗は図中の参照符号Ｒで表示される。抵抗路１２の両端の出力端子から、すなわち第１の端子Ｔ_１および第２の端子Ｔ_２から出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２が測定される。両端の電圧Ｕ_１および電圧Ｕ_２は、スライド１１の位置に応じて変動し、その場合位置データは一端または両端の出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２に基づいて決定可能である。端部と接地面ＧＮＤとの間には都合よく適切な抵抗Ｒ_Ｌがある。出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の測定は様々な方法で実施可能であり、図中では測定手段が参照符号２で表示される。測定結果は信号処理ユニット３に転送され、そこで測定結果に対する必要な変更が施され所望の方法で処理される。信号処理ユニット３は、たとえば以下に示される計算を実施してもよい。また信号処理ユニット３は、アプリケーションに特化した他の機能を実施してもよい。実施例では、出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の情報のみが信号処理ユニット３に来ているように示されるが、当然、別の種類の情報を受信するためおよびその情報をさらに転送するためにさらに多くの手段と通信してもよい。

図１、図２および図３は、電圧源Ｖ_Ｓに接続された直列抵抗を設置できることを破線で示す。このような直列抵抗は、本発明の基本的な考え方の観点から重要ではないが、直列抵抗を用いることによって、特に短絡によって発生する故障のリスクから装置を保護することが可能となる。一般に様々な設備で直列抵抗が使用される。

接続の両端の出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２に基づいて、たとえば以下に説明する方法でスライド１１の方向データαを決定することができる。キルヒホッフの法則に従い、スライド１１の位置データを以下の式によって決定することができる。

式２のＵ_０を式１に代入することによって、角度の値は以下のようになる。

ある場合ではＲ＝５ｋΩおよびＲ_Ｌ＝１０ｋΩのとき、出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の値は２／３×Ｖ_Ｓ〜１×Ｖ_Ｓとなる。したがって、Ａ／Ｄコンバータの範囲の約１／３のみが有効利用されている。しかしながら、コンバータの範囲がさらに利用できるように、コンバータの基準電圧を設定することができる。またＲおよびＲ_Ｌの大きさは使用範囲に影響を及ぼす。たとえばＲ_Ｌ＝１ｋΩのとき、使用範囲は１／７×Ｖ_Ｓ〜１×Ｖ_Ｓとなる。しかしながら、その結果スライド１１を通過する電流の大きさは増加する。

次に、接触抵抗Ｒ_Ｓが求められる。式１は以下のように表すこともできる。

また、以下が明らかである。

この式から、さらに以下の形が導かれる。

式６のＵ_０を式４に代入することによって、以下の式が得られる。

Ｕ１およびＵ２が共に許容できる場合、式３および式７から同一の結果が得られる。すなわち以下のようになる。

ここからＲ_Ｓが以下のいずれかの形で求められる。

または、

これは、たとえばデータ処理の観点から前の形のいずれの方が良い例かによって決まる。
本発明に従う解決手段によって、断線が検出されるようにポテンショメータ１の端子Ｔ_Ｓ，Ｔ_１，Ｔ_２をモニタすることも可能である。本発明に従う接続によって、接続端子に実質的に電気を通すことができないようにさせる可能性のある、ポテンショメータのどの接続端子Ｔ_Ｓ，Ｔ_１，Ｔ_２につながるような損傷も検出可能である。

図４は、ポテンショメータ１との接続において発生する可能性がある幾つかの故障モードＣ１〜Ｃ１１を示す。故障モードＣ１〜Ｃ１１は、特に、たとえばポテンショメータ１の接続点および／またはポテンショメータ１に接続される他の接続、およびケーブル部において発生する可能性がある抵抗変化、断線および短絡を含む。表１は、説明される故障の簡単な説明の要約、故障の検出可能性、故障の特定可能性、および該当する故障時のポテンショメータ１の測定精度の状況を示す。

故障モードＣ１では、接触抵抗Ｒ_Ｓが変化する。したがって第１の出力電圧Ｕ_１および第２の出力電圧Ｕ_２の両方の大きさの範囲が変化する。電圧範囲の変化が同様である、すなわち範囲が減少するか増加するかのいずれかであるため、故障は検出および特定可能である。方向データαは出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２に基づいて決定されるため、ポテンショメータ１は、通常どおり方向データの一部に対して機能する。故障の検出データは先行状態モニタリングで利用可能であり、その場合故障は適切な時期に修復される。一般にポテンショメータ１のスライド１１および／または抵抗路１２が摩耗する場合、接触抵抗Ｒ_Ｓの値が増加し同時にその値が著しく変化するので、その値に基づいてポテンショメータ１の故障を予測することができる。

次に故障モードＣ２では、第１の端子Ｔ_１が損傷し、この場合第１の出力電圧Ｕ_１が実質的にグラウンド面の０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値のグラウンド面ＧＮＤ付近）に接近する。したがって方向データαは、必要に応じて、一方の出力電圧Ｕ_２のみによって決定される。

故障モードＣ３では、スライドの接続端子Ｔ_Ｓが損傷し、この場合出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の両方が実質的に０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値付近に接近する。したがって故障のみを検出可能であるが、故障モードＣ３では、故障のタイプをより具体的に決定することはできないし、方向データαも決定することはできない。

故障モードＣ４では、第２の端子Ｔ_１が損傷した場合、第２の出力電圧Ｕ_２が実質的にグラウンド面の０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値のグラウンド面ＧＮＤ付近）に接近する。したがって方向データαは、必要に応じて、第１の出力電圧Ｕ_１のみによって決定される。

また本発明の実施形態によって、短絡接続が検出されるようにコードおよびポテンショメータ１の接続端子Ｔ_Ｓ，Ｔ_１，Ｔ_２のモニタが可能となる。本発明に従う接続によって、ポテンショメータ１の接続点Ｔ_Ｓ，Ｔ_１，Ｔ_２の短絡型の損傷Ｃ５〜Ｃ１１のいずれも検出が可能となる。たとえば、接続端子Ｔ_Ｓ，Ｔ_１，Ｔ_２の３つがすべて電源電圧Ｖ_Ｓと短絡している場合、すなわち故障モードＣ５の場合、出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２が実質的に電源電圧Ｖ_Ｓに接近する。したがってスライド１１の位置が変更された場合、出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の値は変化せず、方向データαを形成することができない。故障モードＣ５は検出および特定可能であるが、方向データαの形成はうまくいかない。

同様に、故障モードＣ６では、端子Ｔ_１と端子Ｔ_２とが短絡しており、この場合スライド１１の位置が変更された場合、出力電圧Ｕ_１および出力電圧Ｕ_２の値は変化せず、方向データαを形成することができない。同様に故障モードＣ６は検出および特定可能であるが、方向データαの形成はうまくいかない。

故障モードＣ７では、第１の端子Ｔ_１が電源電圧Ｖ_Ｓと短絡しており、この場合第１の出力電圧Ｕ_１は実質的に電源電圧Ｖ_Ｓに接近する。したがってスライド１１の位置が変更された場合、第１の出力電圧Ｕ_１の値は変化しないが、第２の出力電圧Ｕ_２の値は変化する。したがって必要に応じて、方向データαは一方の出力電圧Ｕ_２のみによって決定される。すなわち故障モードＣ７は検出および特定の両方が可能であり、方向データαを形成することができる。

同様に、第２の端子Ｔ_２が電源電圧Ｖ_Ｓと短絡している場合、すなわち故障モードＣ８の場合、第２の出力電圧Ｕ_２の値は実質的に電源電圧Ｖ_Ｓに接近する。したがってスライド１１の位置が変更された場合、第１の出力電圧Ｕ_１の値は変化するが、第２の出力電圧Ｕ_２の値は変化しない。したがって必要に応じて、方向データαは第１の出力電圧Ｕ_１のみによって決定される。

故障モードＣ９では、端子Ｔ_２がグラウンド面と短絡し、この場合第２の出力電圧Ｕ_２が実質的に０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値のグラウンド面ＧＮＤ付近）に接近する。したがってスライド１１の位置が変更された場合、第２の出力電圧Ｕ_２の値は変化しないが、第１の出力電圧Ｕ_１の値は変化する。したがって必要に応じて、方向データαは第１の出力電圧Ｕ_１のみによって決定される。すなわち故障モードＣ９は検出および特定が可能であり、ポテンショメータ１は低下した分解能で機能する。

同様に、故障モードＣ１１では、第１の端子Ｔ_１がグラウンド面と短絡し、第１の出力電圧Ｕ_１が実質的に０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値のグラウンド面ＧＮＤ付近）に接近する。したがってスライド１１の位置が変更された場合、第１の出力電圧Ｕ_１の値は変化しないが、第２の出力電圧Ｕ_２の値は変化する。したがって必要に応じて、方向データαは一方の出力電圧Ｕ_２のみによって決定される。

スライド１１の端子Ｔ_Ｓがグラウンド面と短絡する、すなわち故障モードＣ１０の場合、第１の出力電圧Ｕ_１および第２の出力電圧Ｕ_２の両方が実質的に０ボルト付近（または使用する他の何らかの基本数値のグラウンド面ＧＮＤ付近）に接近する。したがって方向データαを決定することができない。故障モードＣ１０では故障のみを検出できるが、故障のより具体的な種類までは特定できない。

上述される実施例から確認できるように、本発明に従う構造によって短絡回路および電源の断線を検出することができる。第１の端子Ｔ_１と第２の端子Ｔ_２の故障モードでは、必要に応じて方向データαをさらに形成することができる。

故障の検出データおよび特定データは、先行状態モニタリングで利用することができる。したがって故障および故障につながりそうな摩耗はポテンショメータの動作に影響を及ぼすことなく、適切な時期に修復することができる。たとえば接触抵抗Ｒ_Ｓの変化（故障モードＣ１）から摩耗が検出されたポテンショメータ１は、実際に故障する前の適切な時期に交換することができる。一方、故障にはポテンショメータ１の通常動作に影響を及ぼすものもあるが、機能を制御して終了できるものもある。これらの故障モードの例としては、Ｃ２，Ｃ４，Ｃ７，Ｃ８，Ｃ９，Ｃ１１が挙げられる。

以上に示される本発明の様々な実施形態に関連して開示される形態および構造を様々な方法で組合わせることによって、本発明の精神に従って本発明の様々な実施形態を作り出すことができる。したがって以上に示される実施例は、本発明に限定されると解釈してはならず、本発明の実施形態は以下の請求項に示される発明の特徴の範囲内で自由に変更してもよい。

本発明に従う接続を示す図である。電圧および電流の記号が追加された図１に従う接続を示す図である。制御手段の主要構造が追加された図１に従う接続を示す図である。ポテンショメータ１との接続において発生する可能性がある幾つかの故障を示す図である。

Claims

制御手段（４）の位置を決定する際に使用される位置検出器の診断方法であって、該位置検出器は、
抵抗路（１２）と、
該抵抗路（１２）の第１の端部と接続する第１の端子（Ｔ_１）と、
該抵抗路（１２）の第２の端部と接続する第２の端子（Ｔ_２）と、
該制御手段（４）の位置の変化の影響によって該抵抗路に対して移動するように設けられる、該抵抗路（１２）に電気的に接続されたスライド手段（１１）と、
該スライド手段（１１）と接続するスライド端子（Ｔ_Ｓ）と、
電力電源（Ｖ_Ｓ）と、
電圧測定手段（２）と、
測定データを診断する信号処理ユニット（３）とを少なくとも備え、
電源電圧（Ｖ_Ｓ）は該スライド端子（Ｔ_Ｓ）内に配設され、
該第１の端子（Ｔ_１）の出力電圧（Ｕ_１）が測定され、
該第２の端子（Ｔ_２）の出力電圧（Ｕ_２）が測定され、
少なくとも第１および第２の出力電圧（Ｕ_１，Ｕ_２）が該信号処理ユニット（３）に配設されることを特徴とする診断方法。
前記制御手段（４）の位置が、前記第１の出力電圧（Ｕ_１）および前記第２の出力電圧（Ｕ_２）に基づいて決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
前記位置検出器の故障の少なくとも一部が、前記第１の出力電圧（Ｕ_１）および前記第２の出力電圧（Ｕ_２）に基づいて特定されることを特徴とする請求項１または２記載の方法。
前記第１の出力電圧（Ｕ_１）と前記第２の出力電圧（Ｕ_２）間の大きさは、前記第１の端子（Ｔ_１）とグラウンド面（ＧＮＤ）との間、および前記第２の端子（Ｔ_２）とグラウンド面（ＧＮＤ）との間に挿入された抵抗（Ｒ_Ｌ）によって影響されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
制御手段（４）の位置を決定する際に使用される位置検出器であって、
抵抗路（１２）と、
該抵抗路（１２）の第１の端部と接続する第１の端子（Ｔ_１）と、
該抵抗路（１２）の第２の端部と接続する第２の端子（Ｔ_２）と、
該制御手段（４）の位置の変化の影響によって該抵抗路に対して移動するように設けられた、該抵抗路（１２）に電気的に接続されたスライド手段（１１）と、
該スライド手段（１１）と接続するスライド端子（Ｔ_Ｓ）と、
電力電源（Ｖ_Ｓ）と、
電圧測定手段（２）と、
測定データを診断する信号処理ユニット（３）とを少なくとも備え、
電源電圧（Ｖ_Ｓ）は該スライド端子（Ｔ_Ｓ）内に配設され、
該第１の端子（Ｔ_１）は第１の出力電圧（Ｕ_１）を測定するために前記電圧測定手段（２）に接続され、
該第２の端子（Ｔ_２）は第２の出力電圧（Ｕ_２）を測定するために前記電圧測定手段（２）に接続され、
少なくとも第１および第２の出力電圧（Ｕ_１，Ｕ_２）が該信号処理ユニット（３）に配設されることを特徴とする位置検出器。
前記信号処理ユニット（３）が、前記第１の出力電圧（Ｕ_１）および前記第２の出力電圧（Ｕ_２）に基づいて前記制御手段（４）の位置を決定するように配設されることを特徴とする請求項５記載の位置検出器。
前記信号処理ユニット（３）が、前記第１の出力電圧（Ｕ_１）および前記第２の出力電圧（Ｕ_２）に基づいて前記位置検出器の故障の少なくとも一部を特定するように配設されることを特徴とする請求項５または６記載の位置検出器。
少なくとも抵抗路（１２）とスライド手段（１１）とを含むポテンショメータ（１）をさらに備えることを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の位置検出器。
前記位置検出器が、前記第１の出力電圧（Ｕ_１）と前記第２の出力電圧（Ｕ_２）間の大きさに影響を及ぼすため、グラウンド面（ＧＮＤ）と、前記第１の端子（Ｔ_１）とグラウンド面（ＧＮＤ）との間、および前記第２の端子（Ｔ_２）とグラウンド面（ＧＮＤ）との間に挿入された少なくとも２つの抵抗（Ｒ_Ｌ）とをさらに備えることを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の方法。