JPS59102103A - 回転軸センサの監視装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、内燃機関、建設機械、および工作機械などの
制御装置などにおいて利用されている回転軸の回転角度
を検出する角度センサなどの故障を検出する回転軸セン
サの監視装置に関する。

近年、内燃機関や建設機械の制御装置においては電子化
が進み、内燃機関のクランク軸や建設機械の作業軸に回
転角度を検出する角度センプなどを連結し、その角度セ
ンナからの信号に応じて内燃機関の燃料噴射タイミング
や建設機械の作業腕の制御が行なわれるようになった。

またロボットや工作機械の分野においても古くから角度
センサが使われており、モータと角度センサとによりサ
ーボ系を構成し、作業工具の位置制御を行なっている。

このような装置や機械類において角度センサの果す役割
は重要であり、角度センサが故障したり、またその取付
状態が狂ったときは多大な被害が発生する。すなわち、
内燃機関において、異常な噴射タイミングは内燃機関の
破損や、場合によっては逆進につながる。建設機械にお
いては、予期せぬ作業腕の動きによって人身事故につな
がる。またロボットや工作機械においては、工作してい
る製品の製作上のミスにつながる。

このように、角度センサなどが重要な役割を果している
現在、角度センサなどの故障に対する対策は充分である
とは言いがたい。角度センサを２個装備し、その出力信
号を比較することにより角度センサの異常を検出する方
法も考えられる。この方法は高価な角度センサを２個必
要とするばかりでなく、角度センサは振動や衝撃に弱く
、．かつセンタ合せ等取付けに高い精度を必要とするの
で取付けに費用が嵩む。そしてこのような費用が嵩むと
いう傾向は、振動や衝撃の大きな内燃機関や建設機械や
プレス機械などにおいて顕著であるので、単体として高
価であるばかりでなく取付費用が嵩みかつ振動衝撃に弱
い角度センサを２個装置するは非現実的である。

本発明は以上の諸点に鑑みなされたものであり、その意
図するところは、パルスセンサを用いて予め定められた
回転位置において角変センサの出力を比較回路において
チェックすることにより、機械の異常動作を未然に検出
する安価でかつ堅牢な回転軸センサの監視装置を提供す
ることである。

事実、定められた回転位置だけを検出すればよいパルス
センサは安価であるばかりでなく堅牢であり振動や衝撃
の大きなところでも緩衝継手や防振装置を必要としない
。

更にパルスセンサからのパルス信号に同期して角度セン
サの出力をチェックする際、回転軸の回転方向により同
期のタイミングは異なる。なぜならパルスセンサからの
パルス信号のＯＮとナルタイミング（回転位置角度）と
ＯＦＦとなるタイミング（回転位置角度）は回転方向の
反転により逆となるので、パルス信号がＯＮである区間
（角度）だけ同期タイミングにずれが生じるので、回転
方向の変わる機械においては、回転方向に依存しない回
転軸センサの監視装置とする必要がある。

本発明の第１の実施例を第１図に示す。回転軸に連結さ
れた角度センサは、変換器８を介してラッチ回路５，６
に接続されている。角度センサｌとしてはたとえばシン
クロやレゾルバやポテンシオメータが考えられる。変換
器３として、たとえばシンクロやレゾルパの出力をデジ
ダルの角度信号に変換するシンクロ／デジタル／変換器
やレゾルパ／デジタル変換器もしくはポテンシオメータ
の出力をデジタルの角度信号に変換するアナログ／デジ
タル変換器などがある。また角度センサｌとして、たと
えば符号化された回転円板の位置をブラシ、または光学
的にデジタル量として読み出すシャフトエンコーダなど
を使用すれば、変換器Ｂは省略可能である。ランチ回路
５．６に与えられる角度信号のビット数は、角度センサ
１の異常の検出感度（検出レベル）により定まるが、今
説明のため８ビットとしておく。この場合、８６０’／
２８＝　１．４°なので角変センサが正しい直より士し
７°以上異なるとき、角度センサｌは異常と判定される
。この８ビットの角度信号は、ラッチ回路５．６の端子
Ｄにそれぞれ与えられ、ラッチ回路５の端子ＣＫに印加
されるパルス信号の立上がりでラッチ回路５，６内にそ
れぞれ保持される。ラッチ回路５．６の出力は各端子Ｑ
から、８ビットの信号として送出される。ラッチ回路５
の端子Ｑからの出力信号Ａは加算回路７の端子Ａに与え
られ、ラッチ回路６の端子Ｑからの出力信号Ｂは加算回
路７の端子Ｂに与えられる。出力信号Ａと出力信号Ｂと
は、加算回路７内で加算され、端子Ｓより送出される。

このとき加算により生じる桁上がり信号は端子ＣＯより
送出される。この桁上がり信号と、加算回路７の端子Ｓ
からの出力信号の最下位ビットを除いた上位７ビットの
信号とが比較回路８の端子Ｐに与えられる。比較回路８
の端子Ｑには基準信号回路９からの８ビットの基準信８
Ｆが与えられる。基準信号Ｆは角度センサ１が正常なと
きの加算回路７の出力と同じ値に予め設定されている比
較回路８は、端子Ｐに入力された信号と端子Ｑに入力さ
れた基準信号Ｆとの大小を比較する。このような最下位
ビットを除く操作は、加算結果を１／２にする平均操作
を意味し、ラッチ回路５と６との平均値が加算回路７の
出力となる。

加算回路７の出力信号と基準信号Ｆとが一致して礪れば
、比較回路８は、端子Ｐ＝Ｑより一致信号を送出し、一
致していなければ一致信号はＯＦＦとなる。パルスセン
ｖ２は、角度センサ１が連結された回転軸、またはこの
回転軸と同期して動く回転軸に取付けられた被検出体Ｉ
Ｏと協働して、回転軸の回転位置を検出する。このよう
な被検出体１０とパルスセンサ２との組合せとして、た
とえば回転軸に貼られた反射紙と、反射光を光学的に検
出するオプトセン丈の組合せや回転歯車と、歯車の山を
電磁的に険出する近接センナの組合せが考えられる。

パルスセンサ２の出力は、変換器４で整形・付勢され、
ＮＯＴゲートｌ１とラッチ回路５の端子ＣＫとに与えら
れる。ＮＯＴゲートｌ１の出力は、ラッチ回路６の端子
ＣＫに与えられる。変換器８の出力のデジタル角度信号
は、ラッチ回路５において変換器４からのパルス信号の
立上がりで保持され、ラッチ回路６において変換器４か
らのパルス信号の立下がりで保持される。一般にバルス
センサ２のような位置検出器は、構造が簡単で堅牢安価
であり、オプトセンサや近接センサは可動部がないので
信頼性が高い。

一般にパルスセンサ２は回転軸の回転位置、すなわち予
め定められた回転角度だけを検出すればよいので取付け
は角度センサに比べ簡単であり、したがって取付費用は
少なくてよい。また構造的にも堅牢であり、防振対策等
特別な配慮は不要である。たとえば反射紙は接着剤によ
り簡単に回転軸に取付けられ、取付場所の制限も少なく
、これと協働するオプトセンサの取付けも自由に選べる
。

また回転歯車（第６図）は、たとえば２分割して回転軸
に比較的簡単に取付けられ場所的にも少なく、これと協
働する近接センナも同様に取付け位置の制約が少ない。

一方、パルスセンサ２からの出力に応じた変換器４から
のパルス信号の送出タイミングおよびパルス幅は、被検
出体ＩＯの取付位置と被検出体１００幅とにより規定さ
れる。このパルス信号の立上がり（前縁）と立下がり（
後縁）との中点において、変換器８の出力のデジタル角
度信号がたとえば０°を示すように被検出体ＩＯを調節
して取付けている。被検出体ｌＯの幅としては、たとえ
ば本件実施例の場合、パルス幅が予め２１．１０になる
ように作られているが、もつと長くても短かくてもよく
、異常の検出レベルの奇数倍の値が好ましい（本例の場
合は２１．１°＝１．４°×１５）。

次に動作を説明する。機械の回転軸の回転に応じて角度
センサｌは回転し、変換器３から回転角度を示すデジタ
ル角度信号が送出される。たとえぱ、角度センサｌの回
転角度が００のときは「００００００００Ｊであり、順
次ｒ０００００００１」→「ｏ０００００１０Ｊ→「０
０００００１１」というように回転するにつれ数を増し
、「１ｌ１１１１１ｉ→ｒｏｏｏｏｏｏｏｏ」と元の回
転角度Ｏ０に戻る。この場合最下位ビットは３６０／２
８すなわち１．４″′の重み（検出の感度）を有してい
る。

角度セン丈ｌに同期して被検出体１０も回転しており、
パルスセンサ２がこれを検出すると変換器４の出力はＯ
Ｎとなり、このタイミングで変換器３からのデジタル角
度信号はラッチ回路５で保持される。被検出体ＩＯが回
転を続け、パルスセン＋ｊ２の出力がＯＦＦとなると、
このダイミングで変換器３からのデジタル角度信号はラ
ッチ回路６に保持される。

被検出体ｌＯは、角度センサｌの回転角度０°を中点と
して対称になるように取付けられているので、２つのラ
ッチ回路５．６に保持されたデジタル角度信号は補数の
関係にあり、加算回路７の出力は０°となる。加算回路
７の端子Ｓからの出力信号Ｓは、入力信号の上位７ビッ
トと桁上げビットとから成る信号である。比較器８にお
いては、出力信号Ｓと基準信号Ｆとを比較する。ラッチ
回路の出力信号ＡとＢは互いに補数の関係にあるので、
角度セン丈ｌが正常なときは加算回路の上位７ビットは
論理「０」で桁上げ信号は論理ｒｌＪとなる。したがっ
て基準信号Ｆは（１，０，・・・，０）となっている。

加算回路７の上位７ビットが論理ｒＯＪでかつ桁上げ信
号（ＣＯ）が論理ｒｌＪであるか否かを判断され、桁上
げ信号が論理ｒＯＪであるか又は論理「０」以外の数値
であれば端子Ｐ＝Ｑの出力はＯＦＦとなり、角度センサ
１は故障と判断される。角変センサ１の異常を検出する
検出感度（検出レベル）が低くてもよい場合は、変換器
３の出力であるデジタル角度信号のビット数は少なくて
よい。たとえば、検出角度±２．８°でよければ角度信
号のビット数は６ビットでよい。

本件実施例によれば回転軸の回転方向に関係なく角度セ
ンプ１の故障や取付状態の狂いが容易に検出できる。

第２図は本発明の第２の実施例である。角度センサｌの
出力は変換器３に与えられ、変換器８でデジタル角度信
号に変換する。このデジタル角度信号は最上位ビットを
除きラッチ回路５の端子Ｄに与エられる。パルスセンサ
２の出力は、変換器４に与えられ、パルス信号に変換さ
れる。変換器４の出力はラッチ回路５の端子ＣＫに与え
られる。

ラッチ回路５の端子Ｄに与えられたデジタル角度信号は
、端子ＣＫに与えられたパルス信号の立上がりに同期し
てラッチ回路５に保持される。ラッチ回＠５の端子Ｑか
らの出力は、比較回路８の端子Ｐに与えられる。比較回
路８では、端子Ｑより与えられた基準信号回路９からの
基準信号Ｆと端子Ｐに与えられた信号とを比較し、両者
が等しければ端子Ｐ＝Ｑの出力はＯＮとなる。基準信号
Ｆは、角度センサｌが正常時は変換器４がＯＮＫなると
きの変換器８・の出力信号と同じ値（−ｆｃだし最上位
ビットは無視されて）に選ばれている。

被検出体ｌ２は、検出される部分と検出されない部分が
半分づつあるので変換器４を介してパルスセン丈２から
送出されるパルス信号のＯＮ，！：ＯＦＦとの期間は同
じである。このためパルスセンサ２が被検出体１．２を
検知して、変換器４からパルス信号が送出されるときに
ラッチ回路５に保持されるデジタル角度信号と基準信号
Ｆとは常に一致している。パルスセンサ２からのパルス
信号のＯＮのタイミングで変換器８の出力がラッチ回路
５Ｋ保持されるので上述のような関係は回転軸の回転方
向が変っても保持される。なぜならば変換器４から送出
されるパルス信号のＯＮとＯＦＦとの期間は常忙等しい
ので、ＯＮになるタイミングとＯＦＦになるタイミング
とは常ＶＣ１８０°の位相差を有している。このことは
、回転軸の回転方向が変わるとこれまでのＯＮになるタ
イミングとＯＦＦになるタイミングとが逆転し、このた
め変換器８において作成される最上位ビツト（８６０°
／２＝１８０°の重み）を除いてラッチ回路５に保持さ
れるデジタル角度信号は、回転軸の回転方向に依存しな
い。

第８図は本発明の第８の実施例である。角度センサ１、
パルスセンサ２、変換器Ｂ，およヒ変換器４は、第２図
の構成におけるものとそれぞれ同じである。ロジック回
路１８．１４は、ともに変換器３からのデジタル角度信
号を受信し、予め定めた区間だけＯＮである信号を作成
し、送出する。

ロジック回路１Ｂは、θ°−１８０°の間の予め設定さ
れた区間でＯＮであるように構成されており、たとえば
第４図のようにして実現できる。すなわち変換器８から
のデジタル角度信号の上位３ビットを使用し、そのデジ
タル角度信号の最上位ビットの信号をラインｌ！５を介
してＮＯＴゲート２ｌａＫ与え、上位２ビット目の信号
をラインｌ６を介してＮＯＴゲート２ｌｂに与える。Ｎ
ＯＴゲート２１ａとＮＯＴゲート２ｌｂとの各出力信号
と、上位８ビット目の信号とをＡＮＤグート２２に与え
る。上位１ビット目の信号は角度信号の１８０’に対応
し、上位２ビット目の信号は角度信号の９０°に対応し
、上位３ビット目の信号は角度信号の４５°に対応する
。したがってＡＮＤゲート２２の出力つまりロジック回
路１Ｂの出力は、４５Ｄ〜９０°の間ＯＮとなる。同様
に検出回路ｌ４は、１８００〜３６０°の間の任意の区
間でＯＮであるようＫ構成されており、たとえば第５図
のようにして実現できる。第４図と同様に、デジタル角
度信号の最上位ビットの信号をラインｅ５を介してＡＮ
Ｄゲート２２に与え、上位２ビット目の信号をラインｅ
６を介してＮＯＴゲート２１に与える。ＮＯＴゲート２
ｌの出力は、ＡＮＤゲート２２に与えられる。上位８ビ
ット目の信号は、ラインｌ７を介してＡＮＤゲート２２
に与えられる。したがって第５図のロジック回路ｌ４の
出力は、２２＋）’〜２７０°の間でＯＮとなる。

ロジック回路１８．１４の出力と変換器４の出力とが判
定回路ｌ５に入力されて、判定回路ｌ５の出力はラッチ
回路ｌ６で保持可能となっている。

詳しくは判定回路ｌ５は、たとえばＮＯＴグートｌ７と
ＡＮＤゲート１８．１９とＯＲゲート２０とから成る。

ロジック回路１Ｂの出力はラインｅｌを介してＡＮＤゲ
ートｌ９に与えられ、ロジック回路ｌ４の出力はライン
！！３を介してＡＮＤゲート１８に与えられる。変換器
４の出力は、ラインｌ４を介してＡＮＤゲート１８に与
えられる。

一方、変換器４の出力はまたＮＯＴゲート１７Ｋ与えら
れ、ＮＯＴゲートｌ７の出力はライン１２を介してＡＮ
Ｄゲートｌ９に与えられる。ＡＮＤゲート１９の出力と
ＡＮＤゲート１８の出力とは、ＯＲゲート｝２０Ｋ与え
られる。ＯＲゲート２０の出力はラッチ回路ｌ６の端子
Ｓに与えられる。ラッチ回路１６には別途リセット用の
端子Ｒがあり、リセット可能となっている。

判定回路１５は、変換器４からの信号をロジック回路１
８．１４からの信号によりゲートすることにより、パル
スセンサ２もしくは被検出体ｌ２の故障を検出可能にす
る。すなわち、被検出体ｌ２け第２の実施例と同じよう
にＯＮとＯＦＦの期間が同じになるように作られており
、かつ角度が００−１８０°においてＯＮ，１８０’〜
８６０°（＝０）においてＯＦＦとなるように取付けら
れている。

したがってロジック回路ｌ８からの出力信号がＯＮのと
き、変換器４からのパルス信号はＯＮであり、ロジック
回路１４からの出力信号がＯＮのとき、変換器４のパル
ス信号がＯＦＦであれば、被検出体ｌ２およびパルスセ
ン丈２は正常に動作していると判定できる。また逆に変
換器４の出力がＯＮのときロジック回路ｌ４の出力がＯ
Ｎであるか、または変換器４の出力がＯＦＦのときロジ
ック回路ｌ８の出力がＯＮであれば、被検出体１２また
はパルスセンサ２は異常と判定される。そして本件実施
例は回転軸の回転方向に依存せずパルスセンサの異常を
検出できる。

以上のように本発明によれば、角度センサに比べ安価で
堅牢なパルスセンサを用いて、角度センサを監視せしめ
ることにより、角度センナの異常を早期に発見するセン
サの監視装置を用いることによって、機械類は角度セン
サの故障に伴なう障害を未然に防ぐことが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のブロック図、第２図は
本発明の第２の実施例のブロック図、第Ｂ図は本発明の
第８の実施例のブロック図、第４図はロジック回路１Ｂ
の論理回路図、第５図はロジック回路１４の論理回路図
、第６図は回転歯車の断面図である。 １・・・角度センサ、２・・・パルスセンサ、７・・・
基準回路、８・・・比較回路，１８．１４・・・ロジッ
ク回路、ｌ５・・・判定回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）回転軸の時々刻々における回転角度を検出する角
   度センサと、回転軸の予め定められた回転位置を検出す
   るパルスセンサとが回転軸に連結されており、パルスセ
   ンナからの信号に同期して、前記角度センサの出力が比
   較回路において基準信号と比較対照して角度センナの異
   常を検出する回転軸センサの監視装置。
2. （２）基準信号は角度センサの正常時における出力に対
   応した信号を作成する基準信号回路の出力であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の回転軸センサの
   監視装置。
3. （３）回転軸の時々刻々における回転角度を検出する角
   度センプと、回転軸の予め定められた回転位置を検出す
   るパルスセンサとが回転軸に連結されており、角度セン
   サの出力がロジック回路に接続されていて、このロジッ
   ク回路の出力とパルスセンサの出力とを受信して、パル
   スセンナの異常を検出する判定回路を備えることを特徴
   とする特許請求の範囲第１項または第２項記載の回転軸
   センサの監視装置。