JP6348571B2 - 非接触式電位差計 - Google Patents

Description

本発明は、電位差計の技術分野に関し、より詳細には、機械的運動を電気信号に変換することができる非接触式電位差計に関する。

先行技術では、電位差計は、一般に、３つの端子を含み、端子の２つは固定され、残りの端子は移動され得る。電位差計の移動端子は、しばしば、第３の端子と呼ばれる。電位差計の第３の端子からの電気信号出力の範囲は、入力電気信号電位差計によって制御される。電位差計の入力電気信号は、通常、電圧差または供給源によって提供される電流である。

先行技術の電位差計の１つの実施形態では、電位差計は、単層ワイヤで均一に巻かれたシリンダを備え、シリンダの側部は露出され、シリンダの上部および底部各々には、端子が設けられ、電位差計への入力電圧は、上部および底部の端子間に提供される。電位差計の第３の端子は、金属スタイラスであり、この場合、金属スタイラスは、シリンダ表面に沿って上下に摺動することができ、シリンダ上に巻かれたワイヤは、スタイラスと接触する。金属スタイラス電圧は、金属スタイラスの、これがシリンダに沿って摺動するときの位置によって決まる。ワイヤの長さは、電位差計の総抵抗に比例し、ワイヤ直径は、抵抗に反比例する。この電位差計はまた、しばしば、「ワイヤ巻き付けされた可変抵抗器」とも称される。

先行技術の電位差計の別の実施形態では、電位差計は、２つの端子および狭小導電バンドパターンをフィルムプレート上に有するフラットフィルムを備える。電位差計の第３の端子は、フィルムフラットと直接的に電気接触し、第３の端子の電圧は、薄いフィルム上の電気接触位置によって決まる第３の端子の位置によって決まる。この電位差計は、線形動作および角度動作を検出するために使用され得る。

実際、これらの２つの電位差計の実施タイプは、いくつかの欠点を有する。２つの電位差計タイプの第３の端子は、良好な電気接触が、電位差計の第３の端子と抵抗要素の間に維持されながら、電位差計内で抵抗要素に沿って移動しなければならない。しかし、長期的使用は、接点腐食、物理的摩耗および破損、ならびにワイヤの緩みを伴い、それにより、第３の端子用の機械的構成要素を使用する電位差計は、経時的に電気パフォーマンスの劣化を示す。一般的な電位差計に対して改良された信頼性を有して、機械的動作を測定することができる機械的デバイスの必要性が存在する。残念ながら、摩耗機構は、これらの機械的デバイスにおいて回避できないものである。したがって、非接触式の電位差計に対する必要性が存在し、この場合、非接触式の電位差計の第３の端子は、スライダの位置を決定するために導電素子と直接的に接触する必要はない。

先行技術において、非接触式電位差計は、しばしば、磁気センサと、第３の端子の代わりに磁石とを含み、これらの装置内の磁気センサは、磁石の相対運動および位置を検出する。先行技術の接触しない電位差計に使用される磁気センサは、しばしば、ホール効果、異方性磁気抵抗（ＡＭＲ）、または巨大磁気抵抗（ＧＭＲ）のセンサである。非接触式の電位差計用の磁気センサはまた、誘導性コイル磁気センサになることもできる。誘導性コイル磁気センサは、移動可能な軟強磁性構成要素の存在下で所与の周波数で電磁信号を送り、受け取り、次いで、アルゴリズムおよび較正によって軟磁性構成要素の位置を決定することによって作動する。このタイプの非接触タイプの電位差計はまた、線形可変差動変圧器（ＬＶＤＴ）としても知られている。このタイプの非接触式電位差計は、長期間の使用中の摩耗問題を解決する。

しかし、このタイプの先行技術の非接触式電位差計は、低い正確性、高い電力消費、高いコスト、およびアナログセンサ信号をデジタル信号に変換するための回路が必要であることによって付加された複雑性を有する。

本発明の目的は、非接触式電位差計を提供することである。

本発明の非接触式電位差計は、
回転式シャフトが通る機械的ハウジングであって、回転式シャフトは、機械的トルクを受け取ることができる上端部と、底端部に取り付けられた磁石とを有し、磁石は、回転軸の周りでハウジングに対して回転する、機械的ハウジングを備え、
これは、さらに、ハウジングに対して固定された１つまたは複数の磁気抵抗センサチップであって、センサチップは、回転軸に対して垂直である平面内に感知軸を有し、センサチップは、永久磁石が回転軸に対して平行な線に沿って変位された状態で、シャフトの端部から所定距離を離して置かれ、それにより、前記永久磁石が前記回転軸の周りを回転するとき、その磁場は変化して信号を生み出す、磁気抵抗センサチップと、
３つの端子：接地端子、電力供給端子、および出力信号端子を備える。

好ましくは、永久磁石の磁化は、シャフトの回転軸に対して垂直の方向に配向される。

好ましくは、磁気抵抗センサ組立体は、２つのセンサを含み、２つのセンサの感度軸は、互いに対して直交し、回転軸に対して垂直である。

好ましくは、位置決めピンを使用することにより、回転軸周りのシャフトの回転は、３６０°未満の角度範囲に限定される。

好ましくは、回転式シャフトは、回転式シャフト軸に対して垂直に切断されたスロットを含み、スロットは、保持リングを保持し、それにより、シャフトは、その軸周りで回転式にのみ移動することができる。

好ましくは、磁気抵抗センサ組立体のハウジングは、シャフトの動作を限定する円筒状ハウジングに加えて、底部プレートを備える。

好ましくは、非接触式電位差計は、さらに、制御回路に結合された磁気抵抗センサ組立体を備え、それにより、感知信号は、パルス幅変調された出力波形に変換可能であり、この場合、この波形の負荷サイクルは、シャフトの回転軸に比例する。

さらに、制御回路は、ＳＰ６２０１などの電力供給制御回路チップと、Ｃ８０５１Ｆ９１２マイクロ制御装置などのマイクロ制御装置と、ＬＭＶ３２４などの前置増幅器チップと、ＭＭＡ２４３磁気センサチップとを含む。

本発明は、以下の有益な効果を有する。

本発明は、良好なパフォーマンス、低電力損失、および低コストを伴う非接触式の精密電位差計を提供し、これは、磁場情報を含む複雑なアナログ信号が、標準的なデジタル信号に変換されることから、より速くより容易に使用することができる。

分解された状態の非接触式電位差計の実施例１の断面図である。

完全に組み立てられた状態の非接触式電位差計の実施例１の断面図である。

非接触式電位差計の実施例１の上から見た図である。

非接触式電位差計の実施例１の永久磁石およびセンサチップの配置の三次元図である。

非接触式電位差計の実施例１の永久磁石およびセンサチップの配置を示す断面図である。

非接触式電位差計の実施例１の永久磁石の回転角度の関数としてセンサの出力電圧を示すプロット図である。

パルス幅変調された出力信号波形の図である。

ＰＷＭ波形回転角度の負荷サイクル間の関係を示すグラフである。

非接触式電位差計の実施例１のマイクロ制御装置の回路図である。

非接触式電位差計の実施例１のクロック回路の回路図である。

非接触式電位差計の実施例１の定電圧回路の回路図である。

非接触式電位差計の実施例１のセンサチップの回路図である。

非接触式電位差計の実施例１の前置増幅器ユニットの回路図である。

非接触式電位差計の実施例１のコネクタユニットの回路図である。

完全に組み立てられた状態の非接触式電位差計の実施例２の断面図である。

本発明の実施形態は、提供された添付の図と併せて、以下でさらに説明される。

実施例１
図１および２は、回転式シャフト１、永久磁石２、センサチップ３、プリント回路基板（ＰＣＢ）４、ハウジング５、カバー６、および制御回路モジュールを含む非接触式タイプの電位差計を提供する本発明の実施形態を提示する。ハウジング５は、凸形状を有し、内側が中空であり、底部開口部を備える。ハウジング５の上部には、貫通穴７が設けられる。回転式シャフト１には、中央凹部８が設けられ、回転式シャフトは底部空洞９を有する。永久磁石２は、回転式シャフト１上の空洞９内に置かれ、それにより、永久磁石２は回転式シャフト１と共に回転され得る。この実施形態では、永久磁石２は、ディスク形状のものでよい。回転式シャフト１は、ハウジング５内の貫通穴７に置かれ、回転式シャフトは、溝８を用いて貫通穴７の中央に固定され、それにより、レバー１の回転は、基部５に対して回転され得る。空洞９を有する回転式シャフト１の部分は、溝８の下方にあり、基部５内に位置し、回転式レバー１の残りの部分は、基部５の外側に配置される。連結ポスト１０が、基部５の上側端部の内側壁上に位置する。プリント回路基板４は、連結ポスト１０に連結され、それによってプリント回路基板４が、ハウジング５の上部表面から突起することを可能にする。センサチップ３は、プリント回路基板４に固定され、センサチップ３の位置は、永久磁石２が位置する内側空洞９と位置合わせされる。センサチップ３は、永久磁石２から適切な距離のところに置かれ、それにより、センサチップ３は、その線形範囲内で作動する。カバー６が、基部５の底部の開口部を閉じるために、ハウジング５の底部上に設けられる。

図３に示されるように、好ましくは、回転式シャフトの外側壁は、ピン１１を有し、ハウジング５には、位置決めピン１２が設けられる。回転式シャフト１が、基部５に対して回転され、ピン１１が位置決めピン１２と接触する位置まで回転されたとき、位置決めピン１２は、ピン１１を停止させることができ、それにより、回転式シャフト１は、０〜３６０°の範囲内の角度でハウジング５に対して回転される。プリント回路基板４には、３つのパッド、すなわち第１のパッド１３、第２のパッド１４、および第３のパッド１５が設けられ、第１のパッド１３、第２のパッド１４および第３の基部パッド１５は、ハウジング５の外部に位置し、この場合、第１のパッド１３は、電力供給装置（図示せず）に電気的に接続され、第２のパッド１４は接地パッドであり、第３のパッド１５は、パルス幅変調（ＰＷＭ）デジタル信号を出力するための信号出力端子である。

好ましくは、本発明の実施形態の非接触式電位差計は、凹部８を備えた回転式シャフト１を特徴として有し、凹部８内には、Ｏリング、サークリップ、またはプラスチックスライドディスクが中に挿入されて、回転シャフト１がハウジング５に対して回転だけを行うことができ、回転軸１０１に対して平行な方向には移動することができないことを確実にする。

センサチップ３は、２つの磁気センサ（図には示さず）を含み、これらの２つのセンサは、回転軸１０１に対して垂直に配置され、２つのセンサの感知軸は、センサチップ３の平面内で互いに対して直交する。図４および５に示されるように、本発明の実施形態では、回転式シャフト１０１は、Ｚ軸方向に対して平行であり、また、センサチップ３の２つの磁気センサ３は、Ｘ軸およびＹ軸の方向に対して平行である感度方向を有する。図３および図４に示される永久磁石２の磁化方向は、Ｎ極およびＳ極で示され、すなわち永久磁石２の磁化方向は、回転軸１０１に対して垂直である。図６に示されるように、永久磁石２が回転軸１０１の周りで回転されたとき、磁場センサチップ３のＸ軸およびＹ軸方向に沿った磁場は、回転角度の関数としてそれぞれ正弦曲線９および余弦曲線１０を有する。

センサチップ３上の２つのセンサは、永久磁石２によって生成された磁場の大きさの変化を測定するために、また、アナログ電圧信号を提供するために使用され、センサチップ３上の２つのセンサのアナログ電圧信号は、かけられた磁場との線形関係を有する。センサチップ３が、線形範囲内で作動しているとき、２つのセンサのセンサチップ３の出力電圧信号は、かけられた磁場のＸ軸およびＹ軸の成分に対して線形に比例する。センサチップ３上の２つのセンサのアナログ電圧信号は、これらをデジタル信号に変換するためにアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）に直接的に接続され得る。本発明の実施形態では、アナログデジタル変換器のデジタル信号は、次いで、パルス幅変調（ＰＷＭ）（パルス幅変調）デジタル信号に変換され、その波形は、図７に示され、この場合、水平軸は時間を表し、波形３０は、固定期間Ｔ_サイクル２１周期関数である。電圧波形３０は、Ｖ_低２４およびＶ_高２５の値を有する。各々のサイクルでは、電圧波形３０は、時間Ｔ_高２２の間値Ｖ_高２５にあり、時間Ｔ_低２３の間電圧Ｖ_低２４にある。ここで、Ｔ_高２２およびＴ_低２３は、それぞれ７００マイクロ秒および３００マイクロ秒であり、Ｔ_サイクル２１は、１０００マイクロ秒である。Ｔ_高２２およびＴ_サイクル２１の比は、「負荷サイクル」と呼ばれる。この場合、図７は、波形出力負荷サイクル３０が７０％であることを示す。ＰＷＭデジタル信号は、高値と低値の間の変換を表し、高状態および低状態における持続時間を表すデジタル信号を提供する。デジタル信号のＰＷＭ負荷サイクルは、永久磁石２の回転角度に比例する。

図８は、パルス幅変調（ＰＷＭ）と同じである、（回転式シャフト１の、最大角度に対する現在の角度の比である）回転角度の関数として、いわゆる出力負荷比を表す曲線を示しており、これは、図６の正弦波形９および１０を線２９に変換するカスタム設計された回路を用いて算出される。したがって、ＰＷＭは、任意振幅を有する不定形形状のアナログ信号を標準的なデジタル波形に変換するために使用される。

本発明の実施形態による非接触式電位差計は、マイクロ制御装置５１、クロック回路５２、電圧調節器６１、センサチップ回路６２、前置増幅器ユニット６３、およびコネクタユニット６４からなる制御回路モジュールを備える。制御回路モジュールは、センサチップ３を用いて磁場を検出し、これを電気信号出力に変換するために使用される。

図９に示されるように、マイクロ制御装置５１は、プリント回路基板４に従来のやり方で固定された、第１の抵抗器Ｒ４、第２の抵抗器Ｒ５、第８のコンデンサＣ８および第９のコンデンサＣ９を含む周辺回路構成要素を有する。

入力信号７０〜７３を増幅し、これらを出力ＰＷＭ信号７５に変換するために、マイクロ制御装置５１は、以下の通りになる：第１に、センサのＸ軸およびＹ軸のセンサ出力によるアナログ信号が、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）を用いてデジタル信号に変換され；第２に、デジタル回路内のアルゴリズムが、変換されたデジタル信号に基づいて回転式シャフトの角度位置を計算し；第３に、２の回転角度に比例する負荷サイクルを有するＰＷＭ波形を生成する。マイクロ制御装置５１によって生成されたＰＷＭ波形は、出力端子７５に送られ、端子７５は、プリント回路基板４の第３のパッド１５に電気的に接続される。

図１０は、これもまたプリント回路基板４に固定されたクロック回路５２を示す。クロック回路５２は、マイクロ制御装置５１のＣ２ＣＫ ５４コネクタに電気的に接続された出力Ｃ２ＣＫ ５３を有する。電圧３．３Ｖを提供するためのクロック回路５２ ＶＤＤ３Ｖ３ ５６。クロック回路５２は、接地端子５５を有し、接地端子は、他の回路に電気的に接続される。遮断周波数を下回るクロック回路５２は、振動電圧信号を生み出し、システムは、タイミング信号を他の回路に提供することができる。

図１１に示されるように、非定常状態の電圧レベルからの５ボルトＶＤＤ５Ｖ ５７を低減させ、安定的な３．３ボルトを接続部材ＶＤＤ３Ｖ３ ５６に出力するための電力調節器６１。第１のコンデンサＣ１、第２のコンデンサＣ２、第３のコンデンサＣ３および第４のコンデンサＣ４の周辺構成要素の電力調節器が、プリント回路基板４に固定される。電力調節器６１は、調節された電圧を高感度電子装置に提供する。

図１２に示されるように、センサチップ回路６２は、ノードＶＤＤ３Ｖ３ ５６と接地端子５５の間でセンサチップ３に電圧バイアスを提供する。センサチップ３の出力電圧は、Ｘ軸センサに関しては、Ｘ−＿ＳＥＮＳＯＲ６６とＸ＋＿ＳＥＮＳＯＲ６７の間で測定され、一方でＹセンサの電圧は、Ｙ−＿ＳＥＮＳＯＲ６８とＹ＋＿ＳＥＮＳＯＲ６９の間で測定される。これらの電圧信号は、図６の曲線９および１０によって示された、Ｘ軸センサおよびＹ軸センサの出力に相当する。センサチップ６２への周辺回路が、Ｃ５を介してプリント回路基板４に連結される。センサチップ回路６２は、外部磁場を電子電圧信号に変換する。

図１３に示されるように、前置増幅器６３は、これを要素ＶＤＤ３Ｖ３ ５６から接地５５まで接続することによって電力供給される。前置増幅器ユニットは、４つの前置増幅器を備え；４つの前置増幅器の各々は、センサチップ回路６２から入力信号を受け取る。４つの増幅された出力信号は、ノードＸ＋＿ＭＣＵ７０、Ｘ−＿ＭＣＵ７１、Ｙ＋＿ＭＣＵ７２、およびＹ−＿ＭＣＵ７３に接続され、前置増幅器ユニット６３の出力信号７０〜７３は、マイクロ制御装置５１の対応するノードに電気的に接続される。前置増幅器６３は、センサに隣接して位置して、アナログ電子信号の振幅を増大させる。

図１４に示されるように、コネクタユニット６４は、図では４ワイヤ接続として示された、適切な位置に設定された電子入力および出力接続になり得る、外部コネクタ６４１および内部コネクタ６４２を含む。

この実施形態では、非接触式電位差計は、先行技術における電位差計と同じ円筒形状を有する。したがって、実際には、この実施形態における非接触式電位差計は、先行技術の円筒形状の電位差計の代替策として使用され得る。

実施例２
図１５は、次のようにして、すなわち、カバープレート６に２つの連結ポスト１０が装備され、プリント回路基板４が連結ポスト１０に固定され、それ以外は実施例１のものと同じ設計である、実施例１とは別個の非接触式電位差計の代替の実施形態を示す。

好ましい実施形態の本発明の技術的実施の上記の詳述された説明は、例示的であり、制限的ではないことを意味することを理解されたい。当業者は、本明細書を読み取ることにより、本明細書において説明された技術的解決策に基づき、実施形態を変更し、または、いくつかの技術的特徴に対して、等価の置き換えを可能にすることができ、本発明のさまざまな実施形態の適切な技術的解決策のそのような改変または置き換えは、本発明の趣旨および範囲から逸脱しない。

Claims (6)

1. 非接触式電位差計であって、以下の構成要素：貫通穴を備えた機械的ハウジングと、上部端部と、固定された永久磁石を備えた磁気端部とを含む回転式棒であって、前記上部端部は、外部トルクを受け入れて、前記回転式シャフトおよび前記永久磁石を回転軸の周りで前記ハウジングに対して回転させることができる、回転式棒と、前記ハウジングに対して固定された磁気抵抗センサ組立体であって、１つまたは複数のセンサチップを含み、前記センサチップは、前記回転軸に対して垂直な平面内に感度軸を有し、前記回転軸に対して平行な方向に沿って前記永久磁石は、所定の距離だけ前記センサチップから分離され、前記センサチップは、前記永久磁石の、これが前記回転軸周りを回転するときの磁場を感知し、信号を生成する、磁気抵抗センサ組立体と、接地端子、電力供給端子、および信号出力端子それぞれである３つの電気端子とを備え、
   さらに、位置決めのために使用されて、前記回転軸の周りの前記シャフトの前記回転を、３６０°未満の角度範囲に限定するピンを備え、
   前記ハウジングには、少なくとも一つの連結ポストが設けられており、前記非接触式電位差計の磁気抵抗センサ組立体が前記連結ポストに連結され、前記ハウジングから突起しており、
   さらに、前記非接触式電位差計の磁気抵抗センサ組立体が、前記感知信号をパルス幅変調された信号に変換するために制御回路に結合され、前記信号の前記負荷サイクルは、回転角度の比に比例することを特徴とする、非接触式電位差計。
2. さらに、前記永久磁石の内部内の磁化方向が、前記回転式シャフトの前記軸方向に対して垂直である、請求項１に記載の非接触式電位差計。
3. さらに、前記磁気抵抗センサ組立体内に２つのセンサを備え、前記２つのセンサの感度軸が、互いに直交し、前記回転軸に対して垂直である、請求項１に記載の非接触式電位差計。
4. さらに、前記回転軸に対して垂直な方向の、前記回転式シャフトの周囲周りに切断された溝と、前記回転式シャフトの動作を前記回転軸周りのみに制限するための前記溝内に配設された保持クリップとを備える、請求項１に記載の非接触式電位差計。
5. さらに、前記シャフトの前記回転動作を限定する前記ハウジングが、前記磁気抵抗センサ組立体が固定される、前記円筒状ハウジングのための底部プレートを有することを特徴とする、請求項１に記載の非接触式電位差計。
6. さらに、電力制御回路に使用されるＳＰ６２０１チップと、マイクロ制御装置ユニットに使用されるＣ８０５１Ｆ９１２チップと、前置増幅器回路に使用されるＬＭＶ３２４チップと、センサ回路に使用されるＭＭＡ２４３チップとを備える、請求項１に記載の非接触式電位差計。
   

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