JP6477370B2

JP6477370B2 - スイッチ信号入力回路

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Publication number: JP6477370B2
Application number: JP2015173694A
Authority: JP
Inventors: 和也児玉
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2015-09-03
Filing date: 2015-09-03
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2035-09-03
Also published as: JP2017050761A

Description

本発明は、スイッチ信号が入力され、このスイッチ信号に応じて二値信号を出力するスイッチ信号入力回路に関する。

スイッチのオン又はオフによって、接地電位に対して接続又は開放されるスイッチ信号、又は、基準電位に対して接続又は開放されるスイッチ信号が入力されるスイッチ信号入力回路が知られている。スイッチ信号入力回路は、プルアップ技術又はプルダウン技術を用いて、スイッチ信号からディジタル信号といった二値信号（Two levels signal, Binary signal）を生成し、この二値信号を信号処理装置へ出力する。特許文献１には、この種のスイッチ信号入力回路が開示されている。

特許文献１に開示のスイッチ信号入力回路は、外部スイッチ１０のオン又はオフによって、接地電位に対して接続又は開放されるスイッチ信号が入力され、プルアップトランジスタ４を用いて、ローレベル又はハイレベルの二値信号を生成する。

また、図３には、スイッチ７のオン又はオフによって、基準電位に対して接続又は開放されるスイッチ信号が入力されるスイッチ信号入力回路１０が示されている。このスイッチ信号入力回路１０は、プルダウン抵抗を用い、更にはコンパレータを用いて、ローレベル又はハイレベルの二値信号を生成する。

具体的には、スイッチ信号入力回路１０は、入力端子１０_Ｉと接地電位（プルダウン電位）Ｖ_ＧＮＤとの間に直列に接続された抵抗素子１１，１２と、抵抗素子１１，１２の間の接続点１０ａと基準電位（クランプ電位）Ｖｒｅｆとの間に接続されたクランプダイオード１３と、基準電位Ｖｒｅｆと接地電位Ｖ_ＧＮＤとの間に直列に接続された抵抗素子１４，１５と、抵抗素子１１，１２の間の接続点１０ａに接続されたプラス入力端子及び抵抗素子１４，１５の間の接続点１０ｂに接続されたマイナス入力端子、並びに出力端子１０_Ｏに接続された出力端子を有するコンパレータ１６と、出力端子１０_Ｏと基準電位Ｖｒｅｆとの間に接続された抵抗素子１７とを有する。

このスイッチ信号入力回路１０では、入力端子１０_Ｉに入力される電位に応じて抵抗素子１１，１２によって分圧された電圧（接続点１０ａ及びコンパレータ１６のプラス入力端子の電圧）が、基準電位Ｖｒｅｆを抵抗素子１４，１５によって分圧した電圧（接続点１０ｂ及びコンパレータ１６のマイナス入力端子の電圧）以上である場合に、コンパレータ１６がハイレベルの信号を出力し、入力端子１０_Ｉに入力される電位に応じた分圧が基準電位Ｖｒｅｆの分圧よりも小さい場合に、コンパレータ１６がローレベルの信号を出力する。

このスイッチ信号入力回路１０は、例えば、ハイブリット車両、電気自動車、バッテリフォークリフト等の荷役車両等のモータ駆動系に搭載される。モータ駆動系１Ｘは、主に、バッテリ２と、インバータ３と、モータ４と、回転センサ５と、制御部（信号処理回路）６と、スイッチ７と、スイッチ信号入力回路１０とを備える。インバータ３は、バッテリ２の直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力を３相モータ４へ供給する。モータ４には回転センサ５が取り付けられており、回転センサ５は、モータ４の回転数（回転速度）を検知して制御部６へ送信する。制御部６は、インバータ３の出力電力、及び、回転センサ５からのモータ回転数に基づいてフィードバック制御を行う。そして、スイッチ信号入力回路１０は、スイッチ７のオン又はオフによって、バッテリ電位（スイッチ信号用基準電位）に対して接続又は開放されるスイッチ信号が入力端子１０_Ｉに入力され、このスイッチ信号に応じてローレベル又はハイレベルの二値信号を生成し、この二値信号を出力端子１０ｏに接続された制御部（信号処理装置）６へ出力する。

特開平５−３０４４４８号公報

ところで、バッテリフォークリフト等の荷役車両では、車両走行用と荷役用との２種のモータを駆動するため、バッテリ電圧が標準値（Typical value）に対して５０％から１５０％まで変動してしまう。この点に関し、図３に示すスイッチ信号入力回路１０では、コンパレータ１６を用いているため、上記したようにバッテリ電圧の変動が大きくても、各回路素子の温度変動及びばらつきの範囲内で、スイッチ７がオンのときに制御部（信号処理装置）６の信号判別しきい値を満たすハイレベルの信号を生成することができる。

しかしながら、図３に示すスイッチ信号入力回路１０では、コンパレータが高価であり、回路部品数が多く、実装率が低い。

そこで、本発明は、従来と比較して、低価格であり、回路部品数が少なく、実装率が高いスイッチ信号入力回路を提供することを目的とする。

本発明のスイッチ信号入力回路は、スイッチ信号用基準電位に対する接続又は開放によるスイッチ信号が入力端子に入力され、スイッチ信号に応じて生成する二値信号を出力端子に出力するスイッチ信号入力回路であって、カソードが入力端子に接続されたツェナーダイオードと、ツェナーダイオードのアノードとプルダウン用の低電位側の基準電位との間に接続された第１の抵抗素子と、ツェナーダイオードのアノードと出力端子との間に接続された第２の抵抗素子と、アノードが出力端子に接続され、カソードがクランプ用の高電位側の基準電位に接続されたダイオードと、を備える。

このスイッチ信号入力回路によれば、比較的に温度変動が小さいツェナーダイオードを用いることにより、高価なコンパレータを用いることなく、スイッチ信号用基準電位の変動が大きくても、各回路素子の温度変動及びばらつきの範囲内で、スイッチ信号用基準電位に対する接続によるスイッチ信号が入力されるときに、出力端子に接続される信号処理装置の二値信号判別しきい値を満たすハイレベルの信号を生成することができる。このツェナーダイオードは比較的に安価であり、受動素子であるので、低価格であり、回路部品数が少なく、実装率が高いスイッチ信号入力回路を実現可能である。

上記したスイッチ信号入力回路では、スイッチ信号用基準電位に対する接続によるスイッチ信号が入力端子に入力される場合、スイッチ信号用基準電位がツェナーダイオードのツェナー降伏電圧未満であっても、出力端子に出力するハイレベル信号は、出力端子に接続される信号処理装置の二値信号判別しきい値以上である。

一般に、ツェナーダイオードのツェナー降伏電圧未満の動作領域を利用しないように設計するものである。そのためには、ツェナーダイオードとしてツェナー降伏電圧が小さいものを選択するか、或いは、第１の抵抗素子の抵抗値を大きく設定することが考えられる。しかしながら、スイッチ信号用基準電位のためのバッテリ電圧が、例えば標準値の１５０％まで変動することを考慮すると、ツェナー降伏電圧Ｖｚを小さく設定することは困難である。また、スイッチ７がオフのときのスイッチ信号用基準電位のためのバッテリのリーク電流による誤動作を考慮すると、第１の抵抗素子の抵抗値を大きく設定することは困難である。そこで、本願発明者らは、ツェナーダイオードのツェナー降伏電圧未満の動作領域を積極的に利用することを考案する。

これによれば、ツェナーダイオードのツェナー降伏電圧未満の動作領域をも利用することにより、高価なコンパレータを用いることなく、スイッチ信号用基準電位の変動が大きくても、各回路素子の温度変動及びばらつきの範囲内で、スイッチ信号用基準電位に対する接続によるスイッチ信号が入力されるときに信号処理装置の二値信号判別しきい値を満たすハイレベルの信号を生成することができる。

また、上記したスイッチ信号用基準電位は、鉛蓄電池から生成されてもよい。このように、本発明のスイッチ信号入力回路は、最新のリチウム電池等の二次電池を用いるハイブリット車両や電気自動車とは異なり、電圧変動が比較的に大きい鉛蓄電池を用いるバッテリフォークリフト等の荷役車両に好適である。

また、上記したスイッチ信号用基準電位は、標準値に対して５０％から１５０％まで変動してもよい。

また、上記したスイッチ信号用基準電位は、荷役車両における車両走行用モータ及び荷役用モータを駆動するためのバッテリから生成されてもよい。このように、本発明のスイッチ信号入力回路は、バッテリの電圧変動が大きいバッテリフォークリフト等の荷役車両に好適である。

本発明によれば、従来と比較して、低価格であり、回路部品数が少なく、実装率が高いスイッチ信号入力回路を得ることができる。

本実施形態に係るモータ駆動系の主な構成、及び、本発明の一実施形態に係るスイッチ信号入力回路の構成を示す図である。図１に示すツェナーダイオードの電圧−電流特性を示す図である。従来のスイッチ信号入力回路の構成を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。

図１は、本実施形態に係るモータ駆動系の主な構成、及び、本発明の一実施形態に係るスイッチ信号入力回路の構成を示す図である。このモータ駆動系１は、バッテリフォークリフト等の荷役車両における車両走行用及び荷役用に用いられるものであり、バッテリ２と、インバータ３と、モータ４と、回転センサ５と、制御部（信号処理回路）６と、スイッチ７と、スイッチ信号入力回路２０とを備える。

インバータ３は、６個のスイッチング素子によって構成された３相インバータであり、バッテリ２の直流電力を３相交流電力に変換し、この３相交流電力を３相モータ４へ供給する。モータ４には回転センサ５が取り付けられており、回転センサ５は、モータ４の回転数（回転速度）を検知して制御部６へ送信する。制御部６は、インバータ３の出力電力、及び、回転センサ５からのモータ回転数に基づいて、インバータ３のフィードバック制御を行うことによって、モータ４の駆動制御を行う。

これらのインバータ３、モータ４、回転センサ５、及び、制御部６は、バッテリフォークリフト等の荷役車両では、車両走行用と荷役用との２セット存在する（図示省略）。このように、バッテリフォークリフト等の荷役車両では、車両走行用と荷役用との２種のモータを一つのバッテリ２で駆動するため、バッテリ２の電圧が標準値（Typical value）に対して５０％から１５０％まで変動してしまう。なお、バッテリフォークリフト等の荷役車両では、バッテリ２として比較的に安価な鉛蓄電池が用いられる。

また、制御部６は、スイッチ信号入力回路２０からの二値信号を信号処理する信号処理装置として機能する。制御部６は、二値信号判別しきい値を有しており、スイッチ信号入力回路２０からの二値信号と二値信号判別しきい値とを比較して、ハイレベル又はローレベルの判別を行う。

スイッチ信号入力回路２０は、スイッチ７のオン又はオフによって、バッテリ２の電圧（スイッチ信号用基準電位）に対する接続又は開放によるスイッチ信号が入力され、このスイッチ信号に応じてローレベル又はハイレベルの二値信号を生成し、この二値信号を制御部（信号処理装置）６へ出力する。

スイッチ信号入力回路２０の入力端子２０_Ｉは、スイッチ７を介してバッテリ２に接続されており、スイッチ信号入力回路２０の出力端子２０_Ｏは、制御部６に接続されている。スイッチ信号入力回路２０は、ツェナーダイオード２１と、抵抗素子（第１の抵抗素子）２２，２３と、抵抗素子（第２の抵抗素子）２４と、ダイオード２５とを備える。

ツェナーダイオード２１と抵抗素子２２，２３とは、入力端子２０_Ｉと接地電位（プルダウン用の低電位側の基準電位）Ｖ_ＧＮＤとの間に直列に接続されている。具体的には、ツェナーダイオード２１のカソードは入力端子２０_Ｉに接続されており、ツェナーダイオード２１のアノードは直列接続された抵抗素子２２，２３を介して接地電位Ｖ_ＧＮＤに接続されている。

ツェナーダイオード２１と抵抗素子２２，２３との接続点２０ａと、出力端子２０_Ｏとの間には、抵抗素子２４が接続されており、出力端子２０_Ｏと基準電位Ｖｒｅｆとの間にはダイオード２５が接続されている。具体的には、ダイオード２５のアノードが出力端子２０_Ｏに接続されており、ダイオード２５のカソードが基準電位（クランプ用の高電位側の基準電位）Ｖｒｅｆに接続されている。

ダイオード２５は、所謂クランプダイオードである。ダイオード２５は、接続点２０ａの電圧が基準電位Ｖｒｅｆ以上であるときに、出力端子２０_Ｏの電圧を基準電位Ｖｒｅｆにクランプする。詳説すれば、ダイオード２５は、接続点２０ａの電圧が基準電位Ｖｒｅｆ＋ダイオード２５の順方向電圧Ｖｆ以上であるときに、出力端子２０_Ｏの電圧をＶｒｅｆ＋Ｖｆにクランプする。また、ダイオード２５は、接続点２０ａの電圧が基準電位Ｖｒｅｆよりも小さいときには、詳説すれば、接続点２０ａの電圧がＶｒｅｆ＋Ｖｆよりも小さいときには、基準電位Ｖｒｅｆからの逆流電流を防止する。

また、抵抗素子２４は、ダイオード２５のための保護抵抗である。抵抗素子２４は、接続点２０ａの電圧が基準電位Ｖｒｅｆ以上であるときに、詳説すれば、接続点２０ａの電圧がＶｒｅｆ＋Ｖｆ以上であるときに、ダイオード２５に流れる電流を抑制する。

次に、スイッチ信号入力回路２０の動作を説明する。なお、理解を高めるために、具体的な条件の一例を以下に示す。
バッテリ２の電圧Ｖｂ：標準値２４Ｖ、最小値１２Ｖ〜最大値３６Ｖ（標準値の５０％〜１５０％）
ツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚ：標準値１５Ｖ
クランプダイオード２５の順方向電圧Ｖｆ：標準値１Ｖ
クランプ用の高電位側の基準電位Ｖｒｅｆ：標準値５Ｖ
制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈ：標準値１Ｖ
（１）スイッチ７がオフのとき

接続点２０ａが接地電位Ｖ_ＧＮＤにプルダウンされ、出力端子２０_Ｏには、制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈよりも小さいローレベルの信号が出力される。
（２）スイッチ７がオンのとき
（２−１）Ｖｒｅｆ＋Ｖｆ＋Ｖｚ≦Ｖｂのとき

接続点２０ａには、バッテリ２の電圧Ｖｂからツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚを差し引いた電圧が発生する。このとき、接続点２０ａの電圧はＶｒｅｆ＋Ｖｆ以上であるので、出力端子２０_Ｏの電圧はクランプダイオード２５によって基準電位Ｖｒｅｆにクランプされ、出力端子２０_ＯにはＶｒｅｆ＋Ｖｆが出力される。このように、出力端子２０_Ｏには、制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈ以上のハイレベルの信号が出力される。
（２−２）Ｖｚ≦Ｖｂ＜Ｖｒｅｆ＋Ｖｆ＋Ｖｚのとき

接続点２０ａには、バッテリ２の電圧Ｖｂからツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚを差し引いた電圧が発生する。このとき、接続点２０ａの電圧はＶｒｅｆ＋Ｖｆよりも小さいので、出力端子２０_Ｏには、接続点２０ａの電圧が出力される。この場合でも、出力端子２０_Ｏには、制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈ以上のハイレベルの信号が出力される。
（２−３）Ｖｔｈ≦Ｖｂ＜Ｖｚのとき

ツェナーダイオード２１は図２に示すツェナー降伏電圧Ｖｚ未満の領域Ａで動作することとなり、接続点２０ａには、バッテリ２の電圧Ｖｂからツェナーダイオード２１の端子間電圧を差し引いた電圧が発生し、出力端子２０_Ｏには、接続点２０ａの電圧が出力される。この場合でも、出力端子２０_Ｏには、制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈ以上のハイレベルの信号が出力される。

ここで、（２）スイッチ７がオンのときに、スイッチ信号入力回路２０の出力信号（ハイレベル）のレベルを、制御部６の二値信号判別しきい値Ｖｔｈに対して十分に大きくして、（２−３）ツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚ未満の動作領域Ａを利用しないようにするためには、ツェナーダイオード２１としてツェナー降伏電圧Ｖｚが小さいものを選択するか、或いは、抵抗素子２２，２３の抵抗値を大きく設定することが考えられる。

しかしながら、標準値の１５０％まで変動するバッテリ２の電圧変動を考慮すると、ツェナー降伏電圧Ｖｚを小さく設定することは困難である。また、スイッチ７がオフのときのバッテリ２のリーク電流による誤動作を考慮すると、抵抗素子２２，２３の抵抗値を大きく設定することは困難である。

一般に、（２−３）ツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚ未満の動作領域Ａを利用しないように設計するものであるが、更に言えば、上記問題点を考慮して、ツェナーダイオード２１の利用を諦め、図３に示すコンパレータを用いた回路を採用するものであるが、本願発明者らは、（２−３）ツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚ未満の動作領域Ａを積極的に利用するものである。

このように、本実施形態のスイッチ信号入力回路２０によれば、比較的に温度変動が小さいツェナーダイオード２１を用いることにより、また、ツェナーダイオード２１のツェナー降伏電圧Ｖｚ以下の動作領域Ａをも利用することにより、高価なコンパレータを用いることなく、バッテリ２の電圧（スイッチ信号用基準電位）の変動が大きくても、各回路素子２１〜２５の温度変動及びばらつきの範囲内で、スイッチ７がオンのときに制御部（信号処理装置）６の二値信号判別しきい値を満たすハイレベルの信号を生成することができる。

このツェナーダイオード２１は比較的に安価であり、受動素子であるので、本実施形態によれば、低価格であり、回路部品数が少なく、実装率が高いスイッチ信号入力回路を実現可能である。例えば、図３に示す従来のスイッチ信号入力回路１０の回路部品数７個に対して、回路部品数５個へ削減することができる。

なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。

１，１Ｘ…モータ駆動系、２…バッテリ、３…インバータ、４…モータ、５…回転センサ、６…制御部（信号処理装置）、７…スイッチ、１０…スイッチ信号入力回路、１０_Ｉ…入力端子、１０_Ｏ…出力端子、１０ａ，１０ｂ…接続点、１１，１２，１４，１５，１７…抵抗素子、１３…クランプダイオード、１６…コンパレータ、２０…スイッチ信号入力回路、２０_Ｉ…入力端子、２０_Ｏ…出力端子、２０ａ…接続点、２１…ツェナーダイオード、２２，２３，２４…抵抗素子、２５…クランプダイオード、Ｖｂ…バッテリ電圧（スイッチ信号用基準電位）、Ｖｚ…ツェナー降伏電圧、Ｖｆ…順方向電圧、Ｖ_ＧＮＤ…接地電位（低電位側の基準電位）、Ｖｒｅｆ…基準電位（高電位側の基準電位）、Ｖｔｈ…二値信号判別しきい値。

Claims

スイッチ信号用基準電位に対する接続又は開放によるスイッチ信号が入力端子に入力され、前記スイッチ信号に応じて生成する二値信号を出力端子に出力するスイッチ信号入力回路であって、
カソードが前記入力端子に接続されたツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードのアノードとプルダウン用の低電位側の基準電位との間に接続された第１の抵抗素子と、
前記ツェナーダイオードの前記アノードと前記出力端子との間に接続された第２の抵抗素子と、
アノードが前記出力端子に接続され、カソードがクランプ用の高電位側の基準電位に接続されたダイオードと、を備え、
前記スイッチ信号用基準電位に対する接続によるスイッチ信号が前記入力端子に入力される場合、前記スイッチ信号用基準電位が前記ツェナーダイオードのツェナー降伏電圧未満であっても、前記出力端子に出力するハイレベル信号は、前記出力端子に接続される信号処理装置の二値信号判別しきい値以上である、スイッチ信号入力回路。
前記スイッチ信号用基準電位は、鉛蓄電池から生成される、請求項１に記載のスイッチ信号入力回路。
前記スイッチ信号用基準電位は、標準値に対して５０％から１５０％まで変動する、請求項１又は２に記載のスイッチ信号入力回路。
前記スイッチ信号用基準電位は、荷役車両における車両走行用モータ及び荷役用モータを駆動するためのバッテリから生成される、請求項１〜３の何れか１項に記載のスイッチ信号入力回路。
スイッチ信号用基準電位に対する接続又は開放によるスイッチ信号が入力端子に入力され、前記スイッチ信号に応じて生成する二値信号を出力端子に出力するスイッチ信号入力回路であって、
カソードが前記入力端子に接続されたツェナーダイオードと、
前記ツェナーダイオードのアノードとプルダウン用の低電位側の基準電位との間に接続された第１の抵抗素子と、
前記ツェナーダイオードの前記アノードと前記出力端子との間に接続された第２の抵抗素子と、
アノードが前記出力端子に接続され、カソードがクランプ用の高電位側の基準電位に接続されたダイオードと、を備え、
前記スイッチ信号用基準電位は、標準値に対して５０％から１５０％まで変動する、スイッチ信号入力回路。
前記スイッチ信号用基準電位は、鉛蓄電池から生成される、請求項５に記載のスイッチ信号入力回路。
前記スイッチ信号用基準電位は、荷役車両における車両走行用モータ及び荷役用モータを駆動するためのバッテリから生成される、請求項５又は６に記載のスイッチ信号入力回路。