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技術 角度検出回路およびポテンショメータ

出願人 NTN株式会社
発明者 岡田浩一
出願日 1998年12月17日 (21年7ヶ月経過) 出願番号 1998-358862
公開日 2000年6月30日 (20年1ヶ月経過) 公開番号 2000-180205
状態 未査定
技術分野 感知要素の出力の伝達及び変換 アナログ←→デジタル変換
主要キーワード 角度検出ユニット 厚肉リング 自励発振器 ハウジング蓋 比較入力端 繰返しパルス 段付軸 高電圧ライン
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重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2000年6月30日)のものです。
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図面 (4)

課題

電源電圧の変動などによるデューティ比の変動を少なくして、安定したアナログ信号をデューティ比に変換できるような角度検出回路を提供する。

解決手段

発振回路1からの繰返しパルスカウンタ3が計数し、その計数出力に基づいて鋸歯発生回路4が鋸歯を発生し、抵抗R1とR2とによって鋸歯の振幅オフセットを調整する。比較回路5はその鋸歯信号と角度センサ10からのアナログ電圧を比較し、検出された角度に応じたデューティ比のパルス信号出力保護回路6に出力する。

概要

背景

従来より、建設機械作業アームなどの角度を検出するために角度検出ユニットが用いられているが、建設機械は屋外で使用されるため、温度差電圧変動などの環境変化が激しいという問題がある。このため、角度検出ユニットでは、温度変化電源電圧の変動に対して安定なA/D変換を行なって角度検出信号ディジタル信号で出力している。

従来の角度検出ユニットのA/D変換部は、角度検出センサの出力と抵抗およびコンデンサを含むアナログ回路で生成した三角波とを電圧比較し、三角波を成形するしきい値を出力パルスの「H」レベルと「L」レベルのデューティ比を変化させている。

概要

電源電圧の変動などによるデューティ比の変動を少なくして、安定したアナログ信号をデューティ比に変換できるような角度検出回路を提供する。

発振回路1からの繰返しパルスカウンタ3が計数し、その計数出力に基づいて鋸歯発生回路4が鋸歯を発生し、抵抗R1とR2とによって鋸歯の振幅オフセットを調整する。比較回路5はその鋸歯信号と角度センサ10からのアナログ電圧を比較し、検出された角度に応じたデューティ比のパルス信号出力保護回路6に出力する。

目的

それゆえに、この発明の主たる目的は、電源電圧の変動などによるデューティ比の変動を少なくして、安定したアナログ信号をデューティ比に変換できるような角度検出回路およびポテンショメータを提供することである。

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
1件

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請求項1

回転体を検出するセンサ固定部材に設け、そのセンサ出力アナログ信号ディジタル信号で出力する角度検出回路であって、繰返しパルス信号を出力する発振回路と、前記発振回路からのパルス信号計数するカウンタと、前記カウンタの計数出力に基づいて、センサ側基準電圧の変化に伴って変化する三角波信号を発生する三角波発生回路と、前記三角波発生回路から発生された三角波信号と前記センサからのアナログ信号とを比較し、角度に応じたデューティ比のパルス信号を出力する比較回路とを備え、そのパルス信号から角度を検出する角度検出回路。

請求項2

さらに、前記三角波発生回路から発生された三角波信号の振幅値オフセット値とを調整するための回路を含む、請求項1に記載の角度検出回路。

請求項3

転がり軸受を介して回転軸ハウジングに回転自在に設置し、前記回転軸の端部と対面して円周方向に延びる抵抗体を前記ハウジングに設け、この抵抗体に摺接するブラシを前記回転軸に設けるとともに、前記ブラシで分圧された電圧によって角度を検出する角度検出回路を有し、前記角度検出回路は、繰返しパルス信号を出力する発振回路と、前記発振回路からのパルス信号を計数するカウンタと、前記カウンタの計数出力に基づいて、センサ側の基準電圧の変化に伴って変化する三角波を発生する三角波発生回路とを備え、前記三角波信号と前記センサからの信号を比較して角度を検出することを特徴とする、ポテンショメータ

技術分野

0001

この発明は角度検出回路およびポテンショメータに関し、特に、角度検出ユニットなどに設けられ、検出された角度をデューティ比として出力するような角度検出回路およびポテンショメータに関する。

背景技術

0002

従来より、建設機械作業アームなどの角度を検出するために角度検出ユニットが用いられているが、建設機械は屋外で使用されるため、温度差電圧変動などの環境変化が激しいという問題がある。このため、角度検出ユニットでは、温度変化電源電圧の変動に対して安定なA/D変換を行なって角度検出信号ディジタル信号で出力している。

0003

従来の角度検出ユニットのA/D変換部は、角度検出センサの出力と抵抗およびコンデンサを含むアナログ回路で生成した三角波とを電圧比較し、三角波を成形するしきい値を出力パルスの「H」レベルと「L」レベルのデューティ比を変化させている。

発明が解決しようとする課題

0004

上述の方法では、アナログ三角波が抵抗とコンデンサとによって生成されているため、温度変化による抵抗の抵抗値およびコンデンサの容量値の変動で三角波の振幅周波数が変化する。このため、出力されるパルスの周波数とデューティ比が変化してしまい、特にデューティ比の変動は問題となっていた。

0005

それゆえに、この発明の主たる目的は、電源電圧の変動などによるデューティ比の変動を少なくして、安定したアナログ信号をデューティ比に変換できるような角度検出回路およびポテンショメータを提供することである。

課題を解決するための手段

0006

請求項1に係る発明は、回転体を検出するセンサ固定部材に設け、このセンサ出力のアナログ信号をディジタル信号で出力する角度検出回路であって、繰返しパルス信号を出力する発振回路と、発振回路からのパルス信号計数するカウンタと、カウンタの計数出力に基づいて、センサ側基準電圧の変化に伴って変化する三角波信号を発生する三角波発生回路と、三角波発生回路から発生された三角波信号とセンサからのアナログ信号とを比較し、角度に応じたデューティ比のパルス信号を出力する比較回路とを備え、そのパルス信号から角度を検出する。

0007

請求項2に係る発明では、さらに三角波発生回路から発生された三角波信号の振幅値オフセット値とを調整するための回路を含む。

0008

請求項3に係る発明はポテンショメータであって、転がり軸受を介して回転軸ハウジングに回転自在に設置し、回転軸の端部と対面して円周方向に延びる抵抗体をハウジングに設け、この抵抗体に摺接するブラシを回転軸に設けるとともに、ブラシで分圧された電圧によって角度を検出する角度検出回路を有し、角度検出回路は、繰返しパルス信号を出力する発振回路と、発振回路からのパルス信号を計数するカウンタと、カウンタの計数出力に基づいて、センサ側の基準電圧の変化に伴って変化する三角波を発生する三角波発生回路とを備え、三角波信号とセンサからの信号を比較して角度を検出する。

発明を実施するための最良の形態

0009

図1はこの発明が適用される角度検出ユニットを示す縦断面図である。図1において、回転軸21は、段付軸に形成され、その大径部21aが2列の軸受26,26によってハウジング22内で回転自在に支持されている。大径部21aの中間部には環状突部21cが設けられていて、この突部21cは両軸受26,26に予圧をかけた状態でこれら軸受26,26の内輪間に挟み込まれている。各軸受26は、シール付き深溝玉軸受などからなる。軸受26のハウジング22への固定は、図1の上側の軸受26の外輪をハウジング22内の肩面係合させ、両軸受26間に薄肉外輪間座31を挟んで厚肉リング状のスペーサ27とともにハウジング蓋23で押しつけることにより行なわれる。

0010

ハウジング蓋23の内面には、抵抗体32と電気接点33を上面に有する基板24が取付けられ、これら抵抗体32と電気接点33とに接触して両者を導通させるブラシ25が回転軸21の軸端に取付けられている。なお、ブラシ25は回転軸21の軸端にボルト止めした端板21dに設けられているとともに、回転軸21の小径部21bはハウジング22の円孔から突出し、その円孔内にオイルシール28が設けられている。抵抗体32の両端および電気接片33の一部には、端子が各々に設けられており、各端子に接続したリード線26はハウジング蓋23の孔23aから導出され、検出回路40に接続されている。検出回路40はブラシ25で分圧された電圧を検出する。

0011

図1に示した角度固定ポテンショメータによると、予圧された複数の軸受26,26で回転軸21をハウジング22に支持しているため、回転軸21に軸方向やラジアル方向の荷重負荷されても、軸受26でこの負荷を支持することができ、抵抗体32などに過大な負荷を与えない。また、軸受26が予圧されているため、回転軸21のがたつきがなく、荷重の負荷状態でも、精度よく回転角度を検出することができる。

0012

図2はこの発明の一実施形態の電気回路図であり、図1における検出回路40に相当する。図2において、発振回路1は、水晶発振子2の振動に基づいて繰返しパルス信号を発生する自励発振器であって、発生されたパルス信号はカウンタ3に与えられる。カウンタ3はパルス信号を計数し、その計数出力を鋸歯発生回路4に与える。鋸歯発生回路4はカウンタ3からの計数出力に基づいて鋸歯信号を発生して比較回路5の基準入力端に与える。なお、比較回路5の基準入力端と電源ラインおよび接地間には抵抗R1,R2が接続されている。これらの抵抗R1,R2は鋸歯の振幅とオフセットを調整するためのものである。

0013

比較回路5の比較入力端には、前述の図1に示したような角度検出ポテンショメータのような角度センサ10(図1では抵抗体32,電気接点33,ブラシ25である。)から角度に応じたアナログ電圧が与えられる。比較回路5はこのアナログ電圧と鋸歯信号とを比較し、角度センサ10によって検出された角度に応じたデューティ比のパルス信号を出力保護回路6に出力する。

0014

出力保護回路6は、MOSFETからなる出力トランジスタ61とツェナーダイオード63と制御トランジスタ62と抵抗R3,R4とから構成されている。

0015

比較回路5の出力は出力トランジスタ61のドレインに与えられ、ソース出力端UTに接続される。出力端と接地間には抵抗R3とツェナーダイオード63と抵抗R4との直列回路が接続されていて、ツェナーダイオード63のアノードと抵抗R4の接続点は制御トランジスタ62のベースに接続され、制御トランジスタ62のコレクタは出力トランジスタ61のゲートに接続されている。

0016

MOSFET61のドレインとソースとの間にはダイオード64が接続されている。このダイオード64は、MOSFETに含まれるダイオードが電流を内部に引張り込む方向に作用するのに対して、電流を外へ出す方向に作用する。

0017

さらに、電源回路7から出力される電圧が所定の電圧よりも低くなったとき、カウンタ3をリセットし、出力端OUTから出力される信号のデューティ比を0%または100%にするために、ツェナーダイオード81とトランジスタ82が設けられる。電源回路7からの直流電圧はツェナーダイオード81を介してトランジスタ82のベースに与えられ、トランジスタ82のコレクタはカウンタ3のリセット端子に接続される。

0018

図3図2に示した各部のタイミング図である。次に、図3を参照して、図2の具体的な動作について説明する。発振回路1は水晶発振子2の振動に基づいて、図3(a)に示すような繰返しパルス信号を発生する。このとき、電源回路7から一定の電圧が出力されており、ツェナーダイオード81が導通するとともに、トランジスタ82も導通し、カウンタ3のリセット入力端は「L」レベルになっていて、リセットされていない。このため、カウンタ3は発振回路1からの繰返しパルスを計数し、図3(b)に示すような計数出力を鋸歯発生回路4に与える。鋸歯発生回路4はカウンタ3からの計数出力に基づいて、図3(c)に示すような鋸歯信号を出力する。この鋸歯信号は、図3(c)に示すように0Vと5Vとの間を振幅するが、抵抗R1とR2とによって図3(d)に示すように振幅がたとえば3.6V,オフセットが1.3Vとなるように調整される。

0019

比較回路5はこの鋸歯信号と角度センサ10からのアナログ電圧とを比較し、図3(e)に示すように角度センサ10で検出された角度に応じたデューティ比のパルス信号を出力保護回路6に出力する。出力保護回路6では、出力端OUTに外部から高い電圧が印加されていない限り、ツェナーダイオード63が導通せず、制御トランジスタ62も導通しない。このため、出力トランジスタ61のゲートは「H」レベルになっていて、出力トランジスタ61が導通しており、比較回路5の出力のパルス信号が出力端OUTに出力される。

0020

ところが、何らかの要因により、電源回路7に供給されている比較的高い電源電圧VDD出力端子OUTと短絡すると、抵抗R3とツェナーダイオード63と抵抗R4の経路に電流が流れ、ツェナーダイオード63が導通し、トランジスタ62のベースに「H」レベル信号が与えられ、このトランジスタ62が導通する。それによって、出力トランジスタ61のゲートが「L」レベルになってこの出力トランジスタ61がオフし、比較回路5の出力と出力端OUTとの間が遮断され、比較回路5や出力トランジスタ61などの電子部品短寿命化を防止できる。

0021

出力端OUTと高電圧ラインとの短絡が解消されると、再びトランジスタ62が非導通となり、出力トランジスタ61が導通し、比較回路5の出力が出力端OUTに出力され、正常な出力状態復帰する。

0022

なお、電源回路7から出力される電源電圧+Vccが所定の電圧Vよりもツェナーダイオード81のツェナー電圧以下になると、このツェナーダイオード81が導通しなくなり、トランジスタ82も非導通となり、カウンタ3のリセット端子が「H」レベルになって、カウンタ3がリセットされる。このため、鋸歯発生回路4から出力される鋸歯電圧は0Vに固定され、比較回路5の出力は、デューティ比が0%または100%になる。

0023

なお、上述の実施形態では、鋸歯信号を用いるようにしたが、これに限ることなく、一般的な三角波信号を用いるようにしてもよい。

発明の効果

0024

以上のように、この発明によれば、繰返しパルス信号をカウンタで計数して、その計数出力に基づいて三角波信号を発生し、その三角波信号とセンサからのアナログ信号とを比較してセンサ出力に応じたデューティ比のパルス信号を出力するようにしたので、三角波の振幅とセンサ出力の電圧が温度変化でも連動し、電源電圧変動によるデューティ変化をキャンセルすることができる。

図面の簡単な説明

0025

図1この発明が適用される角度検出ユニットの一例を示す断面図である。
図2この発明の一実施形態の電気回路図である。
図3図2の各部の動作を説明するためのタイミング図である。

--

0026

1発振回路
2水晶発振子
3カウンタ
4鋸歯発生回路
5比較回路
6出力保護回路
7電源回路
10角度センサ
61,62,82トランジスタ
63,81ツェナーダイオード
R1〜R4 抵抗

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