フェイル・セーフ機能付きリラクタンス・センサー：Design Ideas アナログ機能回路

今回は、低速と中速の用途に向けたフェイル・セーフ機能付きVRセンサー回路を紹介する。

[Phil Levya，Maxim Integrated Products]

　可変リラクタンス^＊1）（VR）・センサーは、工場内や自動車内などの環境で多く使われている。機械的振動に強く、300℃まで動作するからだ。

＊1）リラクタンスは磁気回路の断面積を通る磁束に対する起磁力の比。

　VRセンサーの用途のほとんどは、鉄製の回転物の回転速度を検出することにある。検出した信号の振幅は、信号処理前では目標物体の回転速度に比例する。センサーの信号処理回路は、高速回転を想定して設計されている。このため回転速度が若干低くなると、センサーの機能は停止してしまう。1秒間に数パルス程度の回転速度であれば、ホール効果センサー^＊2）の使用が望ましい。しかしこのセンサーは、回転物に磁石を取り付ける必要があるため、磁石の破損や損傷で故障に陥りやすい。

＊2）金属や半導体に電流が流れているとき、この電流に垂直な方向から磁界を印加すると、両者に垂直な方向にホール電圧と呼ばれる電位差が現れる。この電圧差を利用して、磁界の有無を検出するのがホール効果センサーである。

　さらにVRセンサーもホール効果センサーも、ケーブルやセンサーに故障が生じたときの信号処理にフェイル・セーフ機能が搭載されていない。そこで低速と中速の用途に向けたフェイル・セーフ機能付きVRセンサー回路を紹介する（図1）。コイルL₁と抵抗R₁、RS-422/RS-485レシーバー回路を4つ収めたIC₁で構成した。IC₁からは、独立した相補型信号、すなわちY₁（V_OUT）とY₂（V_OUT）が出力される。表1に、この出力信号によって得られるフェイル・セーフ・モードを示す。

図1　フェイル・セーフ機能を搭載した可変リラクタンス・センサー回路
低速、もしくは中速の回転検出に向けた回路である。

表1　V_OUTとV_OUTでフェイル・セーフ・モードを検出する

　電源電圧は10V、12V、もしくは制御システムの24V直流電源を使用できる。コイルL₁は、直径5.08mm（0.2インチ）、長さ20.32mm（0.8インチ）の鉄棒に、＃32のマグネット・ワイヤーを2600回巻いた構成になっている。鉄棒はセンサー表面から3.175mm（0.125インチ）だけ飛び出している。鉄棒の背面に取り付けた棒状の磁石は必要な磁束を供給する。

　回転物は、リラクタンスの変化を引き起こす。その結果、磁束量が変化する。この変化に対応して、L₁に誘起される電流が変わる。R₁ではL₁に流れる電流を時間的に変化する電圧に変換する。この電圧値がIC₁の入力端子A1とB2に入力される。入力端子は、入力電圧範囲が±25V、入力スレッシュホールド電圧が±0.2V、入力ヒステリシス電圧の標準値が45mVである。従って、このVRセンサーは、低い回転速度による微弱な電圧信号を検出できる。すなわち低速で回転する物体のセンシングが可能になる。

　R₁に印加される電圧は、IC₁に内蔵した4個のレシーバー回路のうち、2個に分けて入力される。そして独立した相補型信号Y₁、Y₂として出力される。レシーバー入力には、静電気放電（ESD）保護機能を備えている。

　Y₁とY₂のソース電流は最大10mA。具体的には、この電流がnチャネルMOSFETのQ₁とQ₂の論理レベルをスイッチし、Q₁とQ₂がV_OUT、V_OUTを出力する。IC₂はドロップアウト電圧が低いレギュレーターで、IC₁に5V電源を供給する。図2にこのセンサーを使って、低速動作の物体（a）と中速動作の物体（b）の回転速度を検出した様子を示す。

図2　可変リラクタンス・センサーの検出波形
（a）は低速動作の場合。回転速度は毎秒2.4回（4.9Hz動作）。（b）は中速動作の場合。回転速度は毎秒376.2回（752.4Hz動作）。なおチャンネル1はV_OUT、チャンネル2はV_OUT、チャンネル3はR₁に印加される電圧の波形。

　なお今回示した回路は電源電圧が10V〜24Vの用途を想定しているが、5Vの用途の場合は、マイコンをセンサーにより近づけて接地できる。マイコンとセンサーのインターフェースは、L₁とR₁、IC₁だけで実現できる。3Vの用途の場合は、IC₁の代わりに3.3V動作のIC「MAX3096」を使えばよい。

Design Ideas〜回路設計アイデア集

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※本記事は、2008年7月29日にEDN Japan臨時増刊として発刊した「珠玉の電気回路200選」に掲載されたものです。著者の所属や社名、部品の品番などは掲載当時の情報ですので、あらかじめご了承ください。
「珠玉の電気回路200選」：EDN Japanの回路アイデア寄稿コラム「Design Ideas」を1冊にまとめたもの。2001〜2008年に掲載された記事の中から200本を厳選し、5つのカテゴリに分けて収録した。