特許 5696884 接点入力装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5696884

(24)【登録日】2015年2月20日

(45)【発行日】2015年4月8日

(54)【発明の名称】接点入力装置

(51)【国際特許分類】

   G05B 19/05 20060101AFI20150319BHJP

【ＦＩ】

   G05B19/05 L

【請求項の数】3

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2011-1315(P2011-1315)

(22)【出願日】2011年1月6日

(65)【公開番号】特開2012-141938(P2012-141938A)

(43)【公開日】2012年7月26日

【審査請求日】2013年9月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000006507

【氏名又は名称】横河電機株式会社

(72)【発明者】

【氏名】関谷 剛

(72)【発明者】

【氏名】有水 毅

【審査官】 稲垣 浩司

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００１−１２６５７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３１８３５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−０６５８７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０５Ｂ １９／０５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

外部電源の出力電圧を接点に印加し、この接点の電圧と前記外部電源の出力電圧を分圧した電圧を比較して、前記接点のオンオフを検出する接点入力装置において、
前記外部電源の出力電圧を分圧して比較電圧を生成する第１および第２の抵抗と、
前記第１、第２の抵抗の接続点に電流を供給することにより、前記外部電源の出力電圧が０Ｖのときにおける前記比較電圧を可変する定電流源と、
前記比較電圧と前記接点の電圧に関連する電圧を比較する比較器と、
を具備したことを特徴とする接点入力装置。

【請求項2】

前記定電流源の出力電流を可変できるようにしたことを特徴とする請求項１記載の接点入力装置。

【請求項3】

前記第２の抵抗を、第３および第４の抵抗を直列接続した構成とし、
前記定電流源は、
定電圧源と、
この定電圧源の出力電圧が一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に前記第３および第４の抵抗で分圧された電圧が入力される増幅器と、
前記増幅器の出力端子に接続される第５の抵抗と、
で構成されることを特徴とする請求項１若しくは請求項２記載の接点入力装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、外部電源を接続して接点のオン、オフを検出する装置に関し、外部電源の電圧範囲を拡大することができる接点入力装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

図７に接点のオンオフを検出するＤＩモジュールの構成を示す。図７において、１１はオンオフを検出する接点、１２は接点１１に直列に接続されたツェナダイオードである。ツェナダイオード１２は、接点１１の短絡を検出するために挿入される。

【0003】

２０はＤＩモジュールであり、比較器２１、抵抗２２〜２４、電源端子２５、２８、入力端子２６、２７で構成される。電源端子２５と２８の間には、出力電圧Ｖｏを有する外部電源１０が接続される。また、入力端子２６と２７の間には、接点１１とツェナダイオード１２の直列回路が接続される。

【0004】

電源端子２５と入力端子２６は接続される。抵抗２３と２４は直列接続され、その両端はそれぞれ電源端子２５と２８に接続される。すなわち、抵抗２３と２４は外部電源１０の出力電圧Ｖｏを分圧して、比較電圧を生成する。この比較電圧は比較器２１の一方の入力端子に入力される。

【0005】

入力端子２７と電源端子２８は抵抗２２を介して接続され、入力端子２７の電圧は比較器２１の他方の入力端子に入力される。

【0006】

このような構成において、ツェナダイオード１２のツェナ電圧をＶｚとすると、入力端子２７の電圧は、接点１１がオフのときは０Ｖ、オンのときは（Ｖｏ−Ｖｚ）になる。比較器２１は、比較電圧と入力端子２７の電圧を比較することによって接点１１のオン、オフを検出し、その結果を演算処理部１３に出力する。演算処理部１３は比較器２１の出力を演算処理し、接点１１のオンオフを表す信号を生成する。

【0007】

このような構成のＤＩモジュールは、外部電源１０の出力電圧Ｖｏを分圧して比較電圧を生成しているので、出力電圧Ｖｏが変動しても正確に接点１１のオンオフを検出できるという特徴がある。

【0008】

特許文献１には、外部電源Ｅ１から接点Ｋ１に電流を流す構成の接点信号入力方式の発明が記載されている。特許文献１では、接点Ｋ１がオンオフする際の所定期間だけ二次電流を流す二次電流供給回路を設けることによって、電源の種類と配線の数を削減し、かつ消費電力を低減している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００１−１２６５７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

しかしながら、図７のＤＩモジュールは、外部電源１０の出力電圧Ｖｏの範囲が制限されるという課題があった。図８を用いてこのことを説明する。

【0011】

図８は、外部電源１０の出力電圧Ｖｏと、比較電圧および端子２７の電圧との関係を表した図であり、横軸は出力電圧Ｖｏ、縦軸は電圧を表す。

【0012】

３０は抵抗２３と２４によって生成される比較電圧の変化を表した比較電圧直線である。比較電圧は出力電圧Ｖｏを分圧して生成しているのでその変化は直線的であり、かつ出力電圧Ｖｏが０になると比較電圧も０になる。すなわち、直線３０は原点を通り、傾きが１より小さい直線になる。

【0013】

３１、３２は、接点インピーダンスが異なるときの、入力端子２７の電圧変化を表した直線である。なお、接点１１はオンであるとする。直線３１は接点インピーダンスが特性インピーダンスより低い場合、直線３２は特性インピーダンスより高い場合を表す。接点１１に直列にツェナダイオード１２が挿入されており、かつ接点インピーダンスのために電圧降下が発生するので、直線３１、３２のｙ切片（Ｖｏ＝０Ｖのときの電圧）はマイナスになり、かつ傾きが１に近い直線になる。直線３１と３２は仕様によって決まる。

【0014】

ＤＩモジュール２０は、比較電圧と入力端子２７の電圧を比較器２１で比較することによって接点１１のオンオフを検出している。このため、そのオンオフを正確に検出するためには、外部電源１０の出力電圧Ｖｏは、直線３０が直線３１と３２の間に入っており、かつ十分な比較マージンが取れる範囲に制限される。

【0015】

図８では出力電圧ＶｏがＶ１のときの比較マージン（直線３０と３１との差）はＭ１であり、Ｖ２のときの比較マージン（直線３０と３２との差）はＭ２になる。比較マージンＭ１、Ｍ２はいずれも許容範囲ぎりぎりの値なので、外部電源の出力電圧ＶｏはＶ１とＶ２の範囲に制限される。

【0016】

プロセス制御では、ＤＩモジュールは接点信号を出力するＤＯモジュールと同時に用いられることが多い。ＤＯモジュールの電源電圧範囲は広く取らなければならないので、ＤＩモジュールとＤＯモジュールを同じ電源条件で用いることができない。このため、ＤＩモジュールとＤＯモジュールで異なる電源を用いなければならず、構成が複雑になってしまうという課題もあった。

【0017】

特許文献１に記載された発明は接点信号を伝送するためのものであり、かつ外部電源Ｅ１の出力電圧範囲を広げるものではない。

【0018】

本発明の目的は、外部電源の出力電圧範囲を広げることができる接点入力装置を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
外部電源の出力電圧を接点に印加し、この接点の電圧と前記外部電源の出力電圧を分圧した電圧を比較して、前記接点のオンオフを検出する接点入力装置において、
前記外部電源の出力電圧を分圧して比較電圧を生成する第１および第２の抵抗と、
前記第１、第２の抵抗の接続点に電流を供給することにより、前記外部電源の出力電圧が０Ｖのときにおける前記比較電圧を可変する定電流源と、
前記比較電圧と前記接点の電圧に関連する電圧を比較する比較器と、
を具備したものである。外部電源の出力電圧範囲を拡大できる。

【0020】

請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、
前記定電流源の出力電流を可変できるようにしたものである。部品特性のばらつきを補正して、比較マージンを大きくできる。

【0021】

請求項３記載の発明は、請求項１若しくは請求項２に記載の発明において、
前記第２の抵抗を、第３および第４の抵抗を直列接続した構成とし、
前記定電流源を、
定電圧源と、
この定電圧源の出力電圧が一方の入力端子に入力され、他方の入力端子に前記第３および第４の抵抗で分圧された電圧が入力される増幅器と、
前記増幅器の出力端子に接続される第５の抵抗と、
で構成したものである。定電流源の構成を簡単にできる。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば以下のような効果がある。
請求項１、２、および３の発明によれば、外部電源の出力電圧を分圧して比較電圧を生成する第１、第２の抵抗の接続点に定電流源を接続して、この接続点から電流を引き出すようにした。

【0023】

比較電圧直線のｙ切片をシフトすることができるので、比較電圧直線の傾きを接点の電圧を表す直線の傾きに近づけて、比較マージンを均等にすることができる。このため、外部電源の出力電圧範囲を拡大することができ、ＤＯモジュールと同じ電源条件で使用できるという効果がある。

【0024】

また、定電流源の出力電流を可変できるようにすることにより、部品特性の違いによる比較電圧直線のばらつきを補正することができる。このため、外部電源の出力電圧の範囲を更に拡大することができるという効果もある。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】本発明の一実施例を示した構成図である。

【図2】比較電圧と入力端子２７の電圧の関係を表した特性図である。

【図3】比較電圧と入力端子２７の電圧の関係を表した特性図である。

【図4】比較電圧のばらつきを小さくする手法を説明した図である。

【図5】定電流源の構成図である。

【図6】定電流源の構成図である。

【図7】従来のＤＩモジュールの構成図である。

【図8】比較電圧と入力端子２７の電圧の関係を表した特性図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下本発明を、図面を用いて詳細に説明する。図１は本発明に係る接点入力装置の一実施例を示した構成図である。なお、図７と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

【0027】

図１において、４０はＤＩモジュールであり、接点入力装置に相当する。ＤＩモジュール４０は、比較器２１、抵抗２２〜２４および４２、定電流源４１、電源端子２５および２８、入力端子２６および２７で構成される。電源端子２５、２８には外部電源１０が接続され、入力端子２６、２７にはオンオフを検出する接点１１とツェナダイオード１２の直列回路が接続される。また、比較器２１の出力は演算処理部１３に出力される。抵抗２３と２４は、それぞれ第１、第２の抵抗に相当する。

【0028】

外部電源１０の出力電圧は抵抗２３、２４で分圧され、比較器２１の一方の入力端子に入力される。この比較器２１の他方の入力端子には、入力端子２７の電圧が入力される。比較器２１は入力された２つの電圧を比較し、その結果を演算処理部１３に出力する。ツェナダイオード１２の両端電圧は一定なので、入力端子２７の電圧は接点１１の電圧に関連する電圧になる。

【0029】

抵抗２３と２４の接続点には、抵抗４２の一端が接続される。この抵抗４２の他端と電源端子２８の間には、電流を吸い込む定電流源４１が接続される。定電流源４１は抵抗２３と２４の接続点から電流を吸い込むが、この接続点に負の電流を供給していると言える。

【0030】

抵抗２３、２４の抵抗値をそれぞれＲ１、Ｒ２、定電流源４１の出力電流（吸い込み電流）をＩ１とし、抵抗２３と２４の接続点の電圧を比較電圧Ｖｒとすると、比較電圧Ｖｒは下記（１）式で求められる。
比較電圧Ｖｒ＝Ｒ２×Ｖｏ／（Ｒ１＋Ｒ２）−Ｒ１×Ｒ２×Ｉ１／（Ｒ１＋Ｒ２）
・・・・・・・ （１）

【0031】

この（１）式から、比較電圧直線のｙ切片（外部電源１０の出力電圧Ｖｏが０Ｖのときにおける比較電圧Ｖｒの値）は定電流源４１の出力電流Ｉ１に依存して変化することがわかる。

【0032】

図８から明らかなように、従来は比較電圧直線は原点を通過し、かつ直線３１と３２はｙ軸のマイナス方向にずれるので、比較電圧直線３０の傾きを大きくすると、比較電圧直線を直線３１と３２の間に入れることができなかった。図１実施例では定電流源４１の出力電流Ｉ１の値を調整することにより、比較電圧直線を上下方向に移動させることができるので、抵抗２３、２４の抵抗値を調整して、比較電圧直線の傾きを直線３１、３２の傾きに近づけることができる。例えば、Ｒ２＝１０×Ｒ１とすると、比較電圧直線３０の傾きは０．９になり、直線３１、３２の傾き（≒１）とほぼ等しくなる。

【0033】

図２を用いてこのことを説明する。図２は外部電源の出力電圧Ｖｏと比較電圧および端子２７の電圧の関係を表した図である。なお、図８と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

【0034】

図２において、５０は比較電圧直線であり、その傾きが直線３１、３２の傾きに近くなるように抵抗２３、２４の抵抗値を調整し、Ｖｏの電圧範囲が広くなるように定電流源４１の出力電流値を調整して比較電圧直線５０をマイナス方向にシフトさせる。

【0035】

例えば、比較電圧直線５０のｙ切片の電圧をＶｙ１とすると、前記（１）式から、定電流源４１の出力電流（吸い込み電流）Ｉ１の値は、下記（２）式で得ることができる。
Ｉ１＝（Ｒ１＋Ｒ２）×Ｖｙ１／（Ｒ１×Ｒ２） ・・・・・・ （２）

【0036】

比較電圧直線５０の傾きが直線３１（３２）の傾きに近いので、電圧Ｖｏの変化に対する比較マージン（直線３１（３２）と比較電圧直線５０との差）の変化は小さくなる。このため、外部電源１０の出力電圧Ｖｏの範囲を大きくすることができる。図２では、Ｖｏの電圧範囲は（Ｖ１１−Ｖ１０）になり、このときの比較マージンはＭ１０、Ｍ１１になる。

【0037】

図７従来例では比較電圧直線３０の傾きを大きくすると、直線３１、３２と交差する電圧が大きくなり、実用的でなかった。本実施例では定電流源４１の出力電流値を調整して比較電圧直線５０のｙ切片をマイナス方向にシフトさせることにより、Ｖｏの電圧範囲を実用的な値に収め、かつその電圧範囲を拡大することができる。

【0038】

実際の回路では、部品特性のばらつき等によって比較電圧直線は幅を持った直線となり、比較マージンが小さくなる。このことを、図３を用いて説明する。なお、図２と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。また、図を簡単にするために、比較電圧直線５０は直線３１、３２と平行になるように記載している。

【0039】

図３において、斜線部５１は部品特性の違いによって比較電圧直線がばらつく範囲を表している。このばらつきのために、比較マージンが小さくなる。例えば、ばらつきがないと比較マージンはＭ１２であるのに対して、ばらつきがあるとＭ１３に減少する。

【0040】

この比較マージンの減少を補正するために、定電流源４１の出力電流を変化させる。具体的には、外部電源１０の出力電圧Ｖｏを固定して比較電圧を測定し、この比較電圧が直線３１と３２の中央になるように、定電流源４１の出力電流を調整すればよい。

【0041】

図４を用いてこの効果を説明する。なお、定電流源４１の出力電流はＩ１ａとＩ１ｂのいずれかを選択できるものとする。

【0042】

図４において、斜線６０は定電流源４１の出力電流がＩ１ａにおける比較電圧のばらつきの範囲であり、αの幅を有している。点線６１はばらつき範囲の中心を表す。斜線６２は定電流源４１の出力電流がＩ１ｂにおける比較電圧のばらつきの範囲であり、同じくαの幅を有している。点線６３はばらつき範囲の中心を表す。ばらつきの範囲６０と６２はα／２だけずれている。

【0043】

定電流源４１の出力電流をＩ１ａとし、比較電圧を測定して、この測定値が黒点６４であったとする。黒点６４はばらつきの範囲６０の上半分に属しているので、定電流源４１の出力電流をＩ１ｂに変更する。その結果、比較電圧は黒点６５に移動する。測定値がばらつきの範囲６０の下半分に属する黒点６６であると、定電流源４１の出力電流は変更しない。

【0044】

このように、比較電圧の値によって定電流源４１の出力電流の値を変更することにより、比較電圧のばらつきを半分にすることができる。６７は定電流源４１の出力電流を調整した後のばらつきの範囲を表す。なお、定電流源４１の出力電流の値をより細かく調整すると、ばらつきの範囲を更に小さくすることができる。

【0045】

図５に、定電流源の一例を示す。なお、図１と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。また、抵抗４２の抵抗値を０Ωとし、記載を省略する。図５において、７０は定電流源であり、増幅器７１、定電圧源７２、抵抗７３〜７５で構成される。

【0046】

抵抗７３は増幅器７１の一方の入力端子と定電圧源７２の出力端子との間に接続され、抵抗７４は増幅器７１の一方の入力端子と出力端子との間に接続される。図１の抵抗２４は抵抗７６と７７の２つの抵抗に分割され、この抵抗７６と７７の接続点は増幅器７１の他方の入力端子に接続される。抵抗７５は、増幅器７１の出力端子と抵抗２３と７６の接続点に接続される。抵抗７５〜７７は、それぞれ第５、第３、第４の抵抗に相当する。

【0047】

このような構成において、定電圧源７２の出力電圧をＶｒｅｆ、外部電源１０の出力電圧をＶｏとし、抵抗７３と７７、抵抗７４と７６の抵抗値を等しいとして、抵抗７３、７４、２３、７５の抵抗値をそれぞれｒ１、ｒ２、ｒ５、ｒｓ、抵抗７６と７７の合成抵抗をｒ６とすると、比較電圧Ｖｒは下記（３）式で得ることができる。
比較電圧Ｖｒ＝ｒ６×Ｖｏ／（ｒ６＋ｒ５）
−ｒ６×ｒ５×ｒ２×Ｖｒｅｆ／（（ｒ６+ｒ５）×ｒ１×ｒｓ）・・・ （３）

【0048】

この（３）式からわかるように、Ｖｒｅｆあるいは抵抗７５の抵抗値を変えることにより、比較電圧Ｖｒを可変でき、比較電圧直線のｙ切片を変えることができる。

【0049】

図６に、抵抗７５の抵抗値を変えることによって、出力電流を変えることができる構成を示す。なお、図５と同じ要素には同一符号を付し、説明を省略する。

【0050】

図６において、８０は定電流源、８１は抵抗、８２はスイッチである。抵抗８１の一端は抵抗７５、２３、７６の接続点に接続され、他端はスイッチ８２の一端に接続される。このスイッチ８２の他端は増幅器７１の出力端子に接続される。スイッチ８２としてＭＯＳＦＥＴを用いる。

【0051】

スイッチ８２をオンにすると、抵抗７５と８１は並列接続され、その合成抵抗は抵抗７５の抵抗値より小さくなる。前記（３）式から明らかなように、比較電圧直線はマイナス方向に移動する。図４で説明したように、比較電圧を測定してその結果によってスイッチ８１をオンまたはオフにすることにより、ばらつきの範囲を小さくすることができる。

【0052】

なお、前記（１）に抵抗４２の抵抗値は表れないので、抵抗４２を省略して定電流源４１を抵抗２３と２４の接続点に直接接続してもよい。

【0053】

また、定電流源４１は図５あるいは図６の構成に限定されることはなく、他の構成の定電流源を用いることもできる。

【符号の説明】

【0054】

１０ 外部電源
２１ 比較器
２２〜２４、４２、７３〜７７、８１ 抵抗
４０ ＤＩモジュール
４１、７０、８０ 定電流源
７１ 増幅器
７２ 定電圧源
８２ スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】