JP6245844B2 - センサユニット - Google Patents

Description

この発明は、アース（ＧＮＤ）の異常を検出できるようにしたセンサユニットに関するものである。

供給電源とのアース（ＧＮＤ）が正しく得られていないと、機器が正常に動作しなくなる。そのため、ＧＮＤの異常が簡単に検出できれば誤動作等の発生を防止できる。
例えば、特許文献１に記載されているポテンショメータを用いた建機用角度センサでは、ポテンショメータの出力からＧＮＤの異常を検出できる。
すなわち、ポテンショメータを用いた接触型角度センサでは、抵抗体の一方にＧＮＤケーブルを接続し、他方に供給電源ケーブルを接続して、ブラシで抵抗体上を刷ってブラシの接触位置の電圧をセンサ信号として出力している。
いま、これに不具合が発生して電源供給ラインのＧＮＤケーブルが絶縁された状態（例えば、ＧＮＤケーブルが切断された状態やＧＮＤケーブルに電位が発生し浮いた状態）となった場合、出力は供給電源と同じ電圧を出力する。
ポテンショメータの出力は、回転角度に従って０Ｖから供給電圧まで変化するが、建機用としての使用では供給電源電圧の５０％の近辺で角度検出を行うため、０Ｖ近辺及び供給電源電圧近辺の信号は出力されることはない。したがって、ＧＮＤケーブルが絶縁された状態となった場合の出力信号は、供給電源電圧と同じ電圧になるため、ＧＮＤケーブルに異常があることがわかる。このように、センサ出力を検出することでＧＮＤケーブルの異常を検知することができる。

これに対して、特許文献２に示すような磁気検出素子を用いた非接触式の磁気式エンコーダでは、磁界分布の変化を磁気検出素子で検出し信号変換回路で電気信号に変換してセンサ出力としている。
そのため、このようなセンサ回路でＧＮＤケーブルが絶縁された状態となった場合、その出力はセンサ回路の特性によって異なる。したがって、出力は、０Ｖ近辺、または供給電源の供給電圧を呈するとは限らず、センサ出力を検出しているだけでは、ＧＮＤケーブルの異常を検知できない問題がある。

この問題を解決するための断線を検出する方法として、特許文献３，４に示すものがある。
特許文献３には、レゾルバの出力と基準電圧をコンパレータで比較してレゾルバの断線を検出するものと、回転式のエンコーダの差動出力でフォトカプラの２個の発光ダイオードを点灯して、その点灯異常からエンコーダの断線を検出するものが記載されている。

また、特許文献４には、ヒータ回路にＣＴ（電流センサ）を設けて、通電中の電流から断線を検出する。さらに、凍結防止スイッチとフォトカプラを並列に接続した並列回路をヒータ回路と直列に接続して、凍結防止スイッチがオフでヒータに通電していないときにフォトカプラを介して流れる微少電流からヒータ回路の断線を検出するものが記載されている。

実用新案登録第２６０４１００号公報 特許第５０８６００３号公報 特許第４６４０４６６号公報 特許第４２７７１５３号公報

しかしながら、上記の方法は、センサやヒータの断線を検出するもので、ＧＮＤケーブルの異常を検知できないという問題がある。

そこで、この発明の課題は、磁気検出素子を用いた磁気式エンコーダを組み込んだ回転センサユニットのセンサ出力を検出することでＧＮＤケーブルの異常を検知できるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、センサ回路にスイッチング手段を備え、前記スイッチング手段は、１次側と２次側が絶縁され、１次側端子に接続されたセンサ回路に接続された直流供給電源の入力で２次側端子に接続されたセンサ回路出力を制御し、前記直流供給電源からのＧＮＤが供給されないと、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力するという構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、１次側にＧＮＤと供給電源電圧が正常に接続されているとき、２次側は導通となり、２次側はセンサ回路からの信号を出力する。このとき、１次側と２次側は絶縁されているので、２次側出力は供給電源の影響を受けることはない。一方、ＧＮＤケーブルが絶縁状態になると、２次側は絶縁され出力信号が０Ｖまたは供給電源電圧となるようにすることで、ＧＮＤケーブルの異常を検知できるようにする。
このように１次側端子に接続されたセンサ回路の直流供給電源のＧＮＤケーブルが導通または絶縁のいずれかにより、２次側を導通または絶縁することによりセンサ回路からの出力を検出することで、ＧＮＤケーブルの異常を検知できる。

このとき、上記スイッチング手段の１次側の入出力端子間にダイオードを、前記端子に接続する直流供給電源に対して逆方向に接続した構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、センサユニットに直流供給電源を逆向きに接続すると、ダイオードが導通しスイッチング手段には逆向きの電圧（ダイオードの飽和電圧以上）が印加されないようにして、スイッチング手段を保護する。

このとき、上記スイッチング手段として接点構造をノーマリオフとしたリレーを用い、１次側にセンサ回路の供給電源を接続し、２次側の入力側端子にセンサ回路出力を接続し、出力側端子をプルアップあるいはプルダウンして、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力する構成を採用することができる。

このような構成を採用することにより、ＧＮＤケーブルが絶縁状態となり、１次側によって２次側が制御されなくなると、２次側出力から供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力することができる。

また、このとき、上記２次側のリレー出力の接点構成をノーマリオンとするとともに、２次側の入力側端子を供給電源電圧と接続し、出力側端子はプルアップ抵抗を介してセンサ回路出力に接続する。あるいは、２次側の入力側端子をＧＮＤと接続し、出力側端子はプルダウン抵抗を介してセンサ回路出力に接続して、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力する構成を採用することができる。

このような構成を採用することによっても、ＧＮＤケーブルが絶縁状態となり、１次側によって２次側が制御されなくなると、２次側出力から供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力することができる。

その際、上記スイッチング手段がリレーまたフォトカプラである構成を採用することができる。また、このとき、センサユニットのセンサ回路に磁気検出素子を用いた磁気式エンコーダを組み込んだ回転センサユニットとする構成を採用することもできる。

上記のように構成したことにより、ＧＮＤケーブルが不具合により絶縁された場合、センサユニットの出力は通常の使用範囲を外れた０Ｖ一定、または供給電源電圧（Ｖｃｃ）の一定値を出力し、異常であることを知らせることができる。したがって、異常検出用のケーブルを配線する必要が無い。

実施例１の回転センサユニットの断面図 実施例１のブロック図 実施例１の作用説明図 実施例２のブロック図 実施例３のブロック図 実施例４のブロック図 （ａ）、（ｂ）、（ｃ）実施例６のブロック図

以下、この発明を実施するための実施例１を図面に基づいて説明する。
図１に本願発明を適用した回転センサユニットを示す。
この回転センサユニットは、転がり軸受Ｂの外輪Ｃが嵌合されるハウジングＨと、転がり軸受Ｂに支持される軸Ａと、この軸Ａの回転を検出する磁気式エンコーダＥで構成され、軸Ａの回転や回転角度を磁気式エンコーダＥで検出する非接触式の角度センサ（磁気式ロータリーエンコーダ）である。
前記磁気式エンコーダＥは、エンコーダＤとセンサユニット１で構成されている。エンコーダＤは、ドラムの円周方向にＮ極とＳ極を交互に着磁したもので、ドラムの回転によって９０°の位相差でもって生じる磁束の変化を、図１のように、対向して設けたセンサユニット１が検出して、回転角を算出できるようになっている。
前記センサユニット１は、本願発明を適用したもので、図２のように、センサ回路２にスイッチング手段３を備えた構成になっており、直流供給電源５から電源供給ライン４ａ、４ｂを介して電力を供給する構成になっている。

センサ回路２は、例えば、ホール素子、ＭＲ素子等の磁気検出素子（センサ）６と波形や信号処理を行なう信号変換回路７とで構成されている。
スイッチング手段３は、この形態ではフォトリレーを使用している。フォトリレー（以下リレー）３は、発光素子と受光素子を収容した構造となっており、一次側と２次側は絶縁されている。また、この接点構成は、ここでは、ノーマリオフを採用している。

このセンサユニット１は、図２のように、リレー３に直流供給電源５を接続する構成になっている。
すなわち、リレー３は、１次側のコイル端子８ａ、８ｂの一方８ａが抵抗Ｒ１を介して直流供給電源５のＶｃｃ側端子と接続され、コイル端子８ａ、８ｂの他方８ｂは直流供給電源５のＧＮＤ端子と接続するようになっている。
また、リレー３は、２次側の接点端子９ａ、９ｂの一方９ａが、センサ回路２のセンサ出力２ａと接続され、接点端子９ａ、９ｂの他方９ｂは、抵抗Ｒ２によりＧＮＤにプルダウンしたのち、出力端子として制御用コンピュータ１０に接続されている。

このように構成されるセンサユニット１では、リレー３の接点は、先述したように、ノーマリオフである。例えば、リレー３は、１次側の８ａ、８ｂに接続された供給電源５の電圧が規定の場合に２次側の接点がオン（導通）になり、規定よりも低い場合は、オフ（絶縁）となるよう抵抗Ｒ１を調整するなどしてリレー３の動作電圧を回路に合わせて適宜決める。

そのため、図２のように、リレー３の１次側の８ａ、８ｂに供給電源のＶｃｃ側端子とＧＮＤ端子が電源供給ライン４ａ、４ｂにより接続されて規定の電圧が印加されると、リレー３の２次側の接点はオンとなり、センサ回路２のセンサ出力は制御用コンピュータ１０へ出力される。
いま、図３のように、不具合により電源供給ライン４ａ、４ｂのＧＮＤケーブル４ｂが切断あるいは絶縁（アース浮き）などで、ＧＮＤが正しく供給されなくなると、リレー３の１次側に電流が流れず、２次側の接点はオフになる。その結果、センサ回路２からのセンサ出力（信号）は遮断され、出力はプルダウン抵抗Ｒ２によりＧＮＤに接地される。そのため、制御用コンピュータ１０への入力は０Ｖに引き下げられた状態を保持するので、制御用コンピュータ１０は、センサ出力を検出することで、ＧＮＤケーブル４ｂの異常を検知できる。
このようにリレー３の１次側端子８ａ、８ｂに接続された直流供給電源５の入力で２次側端子９ａ、９ｂに接続されたセンサ回路の出力を制御することで、ＧＮＤケーブル４ｂの異常がセンサ出力を検出することにより検知できる。

この実施例２は、異常時の出力レベルを供給電圧Ｖｃｃとなるようにしたものについて述べたものである。
この場合のリレー３は、図４に示すように、２次側の接点端子９ａ、９ｂの他方９ｂを、抵抗Ｒ３により供給電源電圧Ｖｃｃにプルアップし、出力端子として制御用コンピュータ１０に接続したものである。
このようにプルアップすることにより、不具合でＧＮＤが正しく供給されなくなり、リレー３の１次側に電流が流れず、２次側の接点がオフになってセンサ信号が遮断されると、２次側の出力はプルアップ抵抗Ｒ３により供給電源電圧Ｖｃｃに引き上げられる。このため、制御用コンピュータ１０への入力は供給電源電圧Ｖｃｃとなり、その電圧が保持される。その結果、制御用コンピュータ１０は、センサ回路２の出力を検出することで、ＧＮＤケーブル４ｂの異常を検知できる。
なお、他の構成及び作用効果は実施形態と同じであるため、説明は省略する。

この実施例３は、リレー３の接点にノーマリオンのものを採用した場合について述べたものである。
この場合、リレー３は、図５に示すように、２次側の受光側端子９ａ、９ｂの一方９ａを供給電源電圧Ｖｃｃに接続し、接点端子９ａ、９ｂの他方９ｂは、センサ回路２の出力端子２ａと抵抗Ｒ４を介して接続している。そして、その出力端子にプルダウン抵抗Ｒ５を設けて制御用コンピュータ１０へ接続している。
このようにすることにより、リレー３の１次側の発光側端子８ａ、８ｂに供給電源５のＶｃｃ側端子とＧＮＤ端子が接続されて規定の電圧が印加されると、リレー接点はノーマリオンなので、２次側の接点はオフとなり、センサ回路２からのセンサ出力は制御用コンピュータ１０へ出力される。
これに対して、不具合によりＧＮＤケーブル４ｂが切断あるいは絶縁（アース浮き）などにより、ＧＮＤが正しく供給されなくなると、リレー３の１次側のコイルは正常に動作しなくなり、２次側の接点はオンになる。その結果、２次側の接点端子９ｂは、抵抗Ｒ４により供給電源電圧Ｖｃｃに引き上げられるため、制御用コンピュータ１０への入力は供給電源電圧Ｖｃｃとなり保持される。そのため、制御用コンピュータ１０は、センサ回路２の出力を検出することにより、ＧＮＤの異常を検知できる。
このとき、供給電源５からセンサ回路３の出力端子２ａへ抵抗Ｒ４を介して供給される電流は、センサ回路２の出力端子２ａのシンク電流よりも十分大きな電流となるように抵抗Ｒ１の値を設定しておくことは当然である。なお、他の構成及び作用効果は実施形態と同じであるため、説明は省略する。

実施例４は、図６のように、リレー３の接点が、ノーマリオンのものを採用して、異常時の出力レベルを０Ｖとする場合について述べたものである。
この場合、リレー３は、図６に示すように、２次側の受光側端子９ａ、９ｂをセンサ回路２の出力に設けたプルダウン抵抗Ｒ６とＧＮＤの間に配置している。
このようにすることにより、１次側のコイル端子８ａ、８ｂに供給電源５のＶｃｃ側端子とＧＮＤ端子が接続されて規定の電圧が印加されると、リレー３の接点はノーマリオンなので、２次側の接点はオフとなり、センサ回路２のセンサ出力は制御用コンピュータ１０へ出力される。
一方、不具合によりＧＮＤが正しく供給されなくなると、リレー３の１次側のコイルは正常に動作しなくなり、２次側の接点はオンになる。その結果、センサ回路２のセンサ出力端子２ａはプルダウン抵抗Ｒ６を介してＧＮＤに接地され、制御用コンピュータ１０への入力は０Ｖとなり、０Ｖが保持される。このため、制御用コンピュータ１０は、センサ回路２を検出することでＧＮＤケーブル４ｂの異常が検出できる。
このとき、プルダウン抵抗Ｒ６は、センサ回路２のソース電流を十分に流せる低い抵抗値であることは当然である。なお、他の構成及び作用効果は実施形態と同じであるため、説明は省略する。

この実施例５は、スイッチング手段３の保護に関するもので、図２〜図６に示すように、リレー３の１次側の８ａ、８ｂ間にダイオードＤを接続したものについて述べたものである。
すなわち、ダイオードＤは、前記端子８ａ、８ｂに接続される直流供給電源５に対して、極性が逆方向となるように接続したものである。
このようにダイオードＤを接続することにより、例えば、センサユニット１に、誤って
供給電源を逆接続したとしても、ダイオードＤが導通してリレー（スイッチング手段）３の１次側端子８ａ、８ｂ間に、ダイオードＤの飽和電圧以上の電圧が印加されず、リレー３を保護するというものである。
なお、前記ダイオードＤに替えてツェナーダイオード（ツェナー電圧≒供給電源電電圧）を使用すれば、過電圧からも保護できる。

この実施例６は、スイッチング手段３の他の態様について述べたものである。
図７（ａ）は、実施例に示したフォトリレーであり、図７（ｂ）は、フォトカプラである。この他にも、リードリレーなどのメカニカルリレーを用いることもできる。
さらに、実施形態及び実施例１〜４では接点構成としてノーマリオンとノーマリオフについて述べたが、図７（ｃ）のようなトランスファ接点のものも使用できる。トランスファ接点は、ブレーク・ビフォワ・メークなので、トランスファ接点のどちらかを接点端子９ａ、９ｂの一方９ａとして使用することで、ノーマリオンとノーマリオフのどちらにでも使える。

なお、上記の全ての構成で、ＧＮＤが安定せず、スイッチング手段３の作動が不安定な場合は、ラッチ回路を設けたり、自己保持リレーを使用したりすればよい。

１ センサユニット
２ センサ回路
２ａ センサ出力端子
３ スイッチング手段
４ｂ ＧＮＤライン
５ 直流供給電源
６ 磁気検出素子
７ 信号変換回路
８ａ、８ｂ コイル端子
９ａ、９ｂ 接点端子
１０ 制御用コンピュータ
Ａ 軸
Ｂ 転がり軸受
Ｃ 外輪
Ｅ 磁気式エンコーダ
Ｄ エンコーダ
Ｒ１ 抵抗
Ｒ２ プルダウン抵抗
Ｒ３ プルアップ抵抗
Ｒ４ 抵抗
Ｒ５ プルダウン抵抗
Ｒ６ プルダウン抵抗

Claims (6)

1. センサ回路にスイッチング手段を備え、
   前記スイッチング手段は、１次側と２次側が絶縁され、１次側端子に接続されたセンサ回路に接続された直流供給電源の入力で２次側端子に接続されたセンサ回路出力を制御し、
   前記直流供給電源からのＧＮＤが供給されないと、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力することを特徴とするセンサユニット。
2. 上記スイッチング手段の１次側の端子間にダイオードを、前記端子に接続される直流供給電源に対して逆方向に接続したことを特徴とする請求項１に記載のセンサユニット。
3. 上記スイッチング手段の２次側をリレー出力とし、その接点構成をノーマリオフとするとともに、２次側の入力側端子にセンサ回路出力を接続し、出力側端子をプルアップあるいはプルダウンして、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサユニット。
4. 上記スイッチング手段の２次側をリレー出力とし、その接点構成をノーマリオンとするとともに、２次側の入力側端子を供給電源電圧と接続し、出力側端子はプルアップ抵抗を介してセンサ回路出力に接続し、あるいは、２次側の入力側端子をＧＮＤと接続し、出力側端子はプルダウン抵抗を介してセンサ回路出力に接続して、２次側出力が供給電源電圧または０Ｖのいずれかを出力することを特徴とする請求項１または２に記載のセンサユニット。
5. 上記スイッチング手段がリレーまたフォトカプラであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のセンサユニット。
6. 上記請求項１乃至５いずれかに記載のセンサユニットのセンサ回路に磁気検出素子を用いた磁気式エンコーダを組み込んだ回転センサユニット。

Images