CN103154671A - 非接触式角度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具备自动恢复机构的非接触式角度传感器，其在收容于壳体（20）内的转子（40）的旋转中心固定有旋转轴（33），旋转轴的中间部插通支承于环状轴承（31），在壳体内插通有旋转轴的螺旋弹簧（35）相对于壳体对转子向中立角度位置施力，在转子的背面从旋转轴向半径方向外侧离开而固定有磁铁（34），在与转子的背面相对设于壳体内的基板（50）上，设有从旋转轴向半径方向外侧离开并与磁铁空开间隔相对的磁性传感器（53），用形成于从基板的背后关闭壳体的盖（62）的内壁的轴承孔（62a）支承旋转轴（33）的轴承端（33b）。

Description

非接触式角度传感器

技术领域

本发明涉及各种设备类的位置检测所利用的、具备旋转轴的自动恢复机构的非接触式角度传感器。

背景技术

角度传感器的旋转轴的自动恢复机构例如在专利文献1中已公开，但专利文献1公开的角度传感器为接触式角度传感器，不使用磁铁而使用滑动件。滑动件存在因有害气体、油等的附着而容易引起接触不良的缺点。

作为使用了磁铁的非接触式角度传感器的现有例，图10表示专利文献2所记载的角度传感器的原理的构成。但是，该现有例不具有旋转轴的自动恢复机构。在该现有例中，在与旋转轴10的驱动端（前端）相反侧的后端，与中心轴一致地固定有磁铁2，与该磁铁2的轴向后端面空开间隔而相对的磁性传感器4固定于印刷电路基板3上。磁铁2在与旋转轴10成直角的方向被磁化，来自磁铁2的磁通5与印刷电路基板3的板面平行地透过磁性传感器4。通过旋转轴10的旋转而透过磁性传感器4的磁通的方向在与基板3平行的面内旋转，由此，从磁性传感器4输出与旋转角度对应的电压。另外，在专利文献2中，磁性传感器4包括使用了磁性阻抗元件的桥式电路和对桥式电路的差分输出电压进行放大的差动放大器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1:（日本）实用新案注册第2533523号公报

专利文献2:（日本）特表2007-516415号公报（国际公开号WO2004/113928）

发明内容

发明要解决的问题

在专利文献2记载的现有角度传感器的构成中，以磁铁2的中心和磁性传感器4的中心与旋转轴10的中心一致的方式配置。因此，旋转轴10需要仅在其中间部利用未图示的轴承旋转自如地支承，旋转轴10的后端安装有磁铁2，所以不能进行支承。因此，由于长期使用而由旋转轴10和轴承间的摩擦导致的磨损，造成旋转轴10的角度摆动变大，作为角度传感器存在耐久性差的问题。

该发明是鉴于上述问题而开发的，其目的在于提供一种经过长期间而变动少，因此能够维持精度的耐久性优异的非接触式角度传感器。

解决问题的技术方案

该发明提供一种非接触式角度传感器，其特征在于，包括：壳体；转子，其被收容于壳体内；旋转轴，其具有从壳体突出的一端和插通固定于转子的旋转中心的另一端；螺旋弹簧，其在壳体内被旋转轴插通，相对于壳体对转子向中立角度位置施力；环状轴承，其固定于壳体内，被旋转轴插通并转动自如地支承其中间部；磁铁，其在转子的后端面，从旋转轴向半径方向外侧离开而固定，在转子的旋转切线方向被磁化；基板，其固定于壳体内，与转子的后端面隔开间隔而相对，形成有使旋转轴的轴端部自由地插通的轴孔；磁性传感器，在基板上从旋转轴向半径方向外侧离开且在转子的旋转角度范围内与磁铁的至少一部分在旋转轴向空开一定的间隔而相对，输出依存于来自磁铁的磁通的方向的电气信号；盖，从基板的背面关闭壳体，旋转轴的轴端部被形成于盖的内壁的轴承孔支承。

发明效果

在该发明中，非接触式角度传感器设定为如下构成，即，在从由环状轴承支承中间部的旋转轴向半径方向外侧离开的位置，将磁铁安装在转子上，另外，磁性传感器也从旋转轴向半径方向外侧离开而设于基板上，由形成于盖上的轴承孔支承旋转轴的后端。因此，能够经过长期使用而保持旋转轴的角度摆动较小，能够提高耐久性。

附图说明

图1A是表示该发明的角度传感器的一实施例的立体图；

图1B是图1A的主视图；

图2A是图1B的2A－2A剖视图；

图2B是图1B的2B－2B剖视图；

图3是图1所示的角度传感器的分解立体图；

图4是用于说明将磁铁向转子安装的图；

图5A是旋转轴处于中立角度位置的状态时的图2A的5A－5A剖视图；

图5B是图5A的局部放大图；

图6A是使旋转轴向逆时针方向旋转的状态的剖视图；

图6B是使旋转轴向顺时针方向旋转的状态的剖视图；

图7是用于说明磁铁和磁性传感器的位置关系的图；

图8是表示本发明的角度传感器的旋转角度和输出电压的关系的例子的曲线图；

图9是与变形实施例的图5A对应的剖视图；

图10是现有的角度传感器的分解立体图。

具体实施方式

参照附图并通过实施例说明该发明的实施方式。

该发明的非接触式角度传感器是使旋转轴转动而输出与来自中立角度位置的旋转角度对应的电气信号的传感器。图1A、1B表示该发明的非接触式角度传感器的一实施例的外观，图2A表示图1B的2A－2A剖视图，图2B表示图1B的2B－2B截面的构造。另外，图3是分解为各部分而表示的图。

壳体20具有圆筒状的收容部21，在收容部21的背面侧，从其外周面向半径方向突出形成有方形板状的端子导出部22，在收容部21的前面侧，一对安装部23从其外周面相互向半径方向反向地大幅突出形成为凸缘状。另外，在收容部21的前面，突出形成有与收容部21同心状的带台的圆筒部24。在收容部21的内周面，如图2B中虚线所示突出形成有剖面为圆弧状且沿旋转中心线方向延长的弹簧支承25，如后述的图5A、5B所示，用其周向一端面25a、25b弹性地支承后述的螺旋弹簧35的一端35a、35b。从其弹簧支承25的后端面的周向中央起，如图2B中虚线所示进一步沿圆筒部24的中心线方向延长形成有周向宽度狭窄的制动器26。另外，图2A是在图1B中上下翻转而表示2A－2A剖面。

在壳体20的圆筒部24收容配置有环状轴承31，另外，在一对安装部23的各套筒孔23a中收容配置有金属制的套筒32。壳体20及环状轴承31分别为合成树脂制，在该例中，环状轴承31及套筒32与壳体20嵌合成型。另外，壳体20和环状轴承31均为合成树脂制，但壳体20使用高刚性且阻燃性优异的树脂，环状轴承31使用耐磨损性优异的树脂。

转子40具有：圆板部41、与该圆板部41同心状从其一面向轴向直角地突出形成的剖面为圆弧状的一对弹簧导向部42、43，用合成树脂成型。一对弹簧导向部42、43分别制成截面为圆弧状，这些圆弧位于同一圆周上。在圆板部41，在位于一弹簧导向部43的外周侧的部分形成有圆弧状的切口41a（参照图4）。该切口41a在将转子40向壳体20的收容部21内安装时，使突出形成于收容部内周面的弹簧支承25穿过，并且，安装后，限制制动器26的转动范围，由此，规定了转子40的可转动范围。

圆柱状的旋转轴33设定为金属制，在其一端形成有椭圆形部（小判形部）33a，再在椭圆形部33a的前端面突出形成有小径的轴端部33b。以旋转轴33和转子40的旋转中心一致的方式，椭圆形部33a在转子40的圆板部41嵌合成型而与转子40一体化，且位于弹簧导向部42、43的成为圆弧的中心。另外，形成于椭圆形部33a的前端面的轴端部33b比转子40的圆板部41的背面侧更突出。

如图4所示，在转子40的圆板部41的背面侧，长方形板状的磁铁34安装于从旋转轴33向半径方向外侧离开的位置。磁铁34其长边方向被磁化，其长边设为转子40的旋转切线方向。

螺旋弹簧35被旋转轴33插通并收容于转子40的一对弹簧导向部42、43内的空间。一对弹簧导向部42、43沿螺旋弹簧35的外径包围螺旋弹簧35，由此，螺旋弹簧35与一对弹簧导向部42、43外接而被保持。

旋转轴33插通与壳体20嵌合成型的环状轴承31的孔31a并在中间部被轴支承。在壳体20的圆筒部24，在环状轴承31的前方配置有唇形密封36，另外，在其前方配置有限制唇形密封36的移动的垫圈37、Ｅ环38。Ｅ环38嵌入设于旋转轴33上的Ｅ环插入槽33ｃ，以防止唇形密封36和垫圈37的脱落。壳体20的前面侧由唇形密封36封止。

在壳体20的收容部21的背面侧开口部，与转子40的背面空开间隔而平行地安装有基板50。基板50具有：中心形成有轴孔59的圆形部51和从其圆形部51的外周圆弧边向半径方向外侧延长的方形部52。在基板50上形成有未图示的印刷配线，在基板50上，从旋转轴33向半径方向外侧离开、且在旋转轴33的轴向与磁铁34空开间隔设有磁性传感器53。磁性传感器53包括由磁性阻抗元件和多个阻抗构成的桥式电路，作为桥式电路的磁性阻抗元件使用了GMR元件(Giant Magneto Resistance元件)的磁性传感器，作为模压器件零件市售。桥式电路的差分输出即磁性传感器53的输出通过设于基板50上的差动放大器54被放大。差动放大器54的输出从端子61作为表示检测角度的电压而输出。

在基板50的方形部52形成有端子插入孔58，在这些端子插入孔58中分别铆接安装有端子61。另外，图3表示端子61的铆接部61a被铆接后的形状。对磁性传感器53、动作放大器54的电源供给、角度检测电压的导出等，从端子61通过基板50上的印刷配线而进行。

基板50被压入壳体20的收容部21内，与形成于收容部21的内周壁的抵触部21a抵触而被收容。由此，基板50在旋转轴33的轴向被定位。

在壳体20的收容部21的背面侧开口部，还从基板50的背后安装有盖62。盖62通过将设于壳体20的收容部21内的热铆接部21b进行热铆接而被固定。在盖62的内面形成有轴承孔62a，该轴承孔62a轴支承形成于旋转轴33的前端的直径变小的轴端部33b，轴端部33b被该轴承孔62a轴支承。因此，旋转轴33在其中间部和后端部被支承。

在安装于壳体20的盖62的周围，如图2A、2B所示涂布填充有粘接剂63，由此，壳体20的背面侧被封止。另外，在该例中，在壳体20内部的布置端子61的部分设有空间部，在端子61的周围及铆接部61a的周围也如图2B所示填充有粘接剂63。由此，端子61被牢固地固定，并且能够防止由端子61间的水分的电分解导致的离子迁移。

下面，参照图5A、5B对沿螺旋弹簧35的径向导出的两端部35a、35b的、在壳体20内的位置和卡止状态。

图5A表示图2A的5A－5A剖面，是表示旋转轴33位于中立角度位置的状态的图，图5B表示由图5A的虚线包围的区域的放大图。转子40的剖面为圆弧状的弹簧导向部43的圆弧角和沿旋转轴向突设在壳体20的内周面的圆弧状的弹簧支承25的圆弧角大致相等。螺旋弹簧35的两端部35a、35b夹着转子40的弹簧导向部43的周向两端面43a、43b和壳体20的内周面的弹簧支承25的周向两端面25a、25b而弹性接触。由此，抑制旋转轴33的中立角度位置的转子40和壳体20的周向的相对的松动。

图6A、6B是表示各个旋转轴33向逆时针方向及顺时针方向旋转的状态的图，转子40的弹簧导向部43抵抗其弹性按压图6A中螺旋弹簧35的一端部35a，在图6B中抵抗其弹性按压另一端部35b。通过转子40旋转，来自磁铁34的透过磁性传感器53的磁通的方向旋转，能够自端子61获得所希望的输出信号。在解除旋转轴33的旋转力时，利用螺旋弹簧35的弹性恢复力，转子40及旋转轴33恢复为图5A所示的原来的中立角度位置。

图7表示与固定于转子33上的磁铁34相对于固定于基板50上的磁性传感器53的旋转角度位置的相互重合的关系的例子。磁性传感器53为短边的长度A和长边的长度B接近的矩形的模压器件，其中心Os从旋转轴的中心Ox离开距离Rs，连结中心Ox和Os的直线与长边平行。磁铁34为长边的长度L是短边的长度W的至少2倍以上的长方形，长边方向被磁化。磁铁34的短边的长度W优选设为相对于磁性传感器53的长边的长度B为B/2<W<B。

在中立角度位置，磁铁34和磁性传感器53的配置相对于连结中心Ox和Os的直线是对称的，因此，仅对一方向的旋转进行说明。在转子的中立角度位置，磁铁34的中心Om位于中心Os和Ox间的直线上，磁铁34覆盖磁性传感器53的、中心Ox侧的至少一半。相对于磁性传感器53尺寸来说，按照旋转轴向顺时针方向旋转角度θ，磁铁34成为虚线所示的位置时，成为使用角度传感器的目标要求的检测输出电压，而确定磁铁34的尺寸及从旋转轴中心Ox到磁性传感器53及磁铁34的中心Os、Om的距离Rs、Rm等。

例如，将磁性传感器53的长边和短边之比B/A设定为1.25，将磁铁的长边和短边之比L/W设定为4，且Rs/A=1.5时，例如，如图8所示，旋转角度θ和检测电压的关系获得如下关系，即，隔着中立角度位置（θ＝0°）在大致±22°的范围内得到大致线形的关系。

［变形实施例］

在上述的实施例中表示了使旋转轴转动而可在以中立角度位置为中心的两方向的角度范围转动的角度传感器的例子，但也可以从中立角度位置开始仅在一方向的角度范围内可转动。该情况下，例如图9中与图5A对应表示的剖面那样，在旋转轴33的中立角度位置，从壳体20的内周面向中心方向突出的弹簧支承25和转子40的弹簧导向部43按照在以旋转轴33为中心的同一圆周上邻接的方式形成。这时，以弹簧导向部42的从左旋方向端面到弹簧支承25的左旋转动允许角范围至少为2θ的方式形成弹簧导向部42。将用图7所示的虚线表示的图9的中立角度位置的磁铁的角度位置设为中立角度位置，为了获得使旋转轴左旋转动而输出电压与旋转角的增加同时变大的特性，将磁铁的磁化方向设为与图7、8中说明的实施例的情况的磁化方向的反方向。通过该构成能够进行自中立角度位置到向逆时针方向旋转2θ的旋转角的检测。

如以上说明，在该发明的角度传感器中，在与基板50的表面相对的转子40的后端面，从旋转轴33向半径方向错开安装有磁铁34，除了旋转轴33的中间部用环状轴承31支承之外，用盖62的轴承孔62a支承旋转轴33的后端部的轴端部33b，因此，如专利文献1的图10所示，在旋转轴10的后端部安装有磁铁2，因此与后端部未被支承的构成相比，旋转轴的角度摆动少，经过长时期的耐久性高。

另外，该角度传感器用于例如电动拖车及小型摩托车等的前进、后退加速器杆的旋转角的检测、汽车的加速踏板的踏入角度的检测等。

Claims (3)

1.一种非接触式角度传感器，其具有：

壳体；

转子，其可旋转地收容于所述壳体内；

旋转轴，其具有从所述壳体突出的一端和插通固定于所述转子的旋转中心的另一端；

螺旋弹簧，其在所述壳体内被所述旋转轴插通，相对于所述壳体对所述转子向中立角度位置施力；

环状轴承，其固定于所述壳体内，被所述旋转轴插通并转动自如地支承其中间部；

磁铁，其在所述转子的后端面，从所述旋转轴向半径方向外侧离开而固定，在所述转子的旋转切线方向被磁化；

基板，其固定于所述壳体内，与所述转子的后端面隔开间隔而相对，形成有使所述旋转轴的轴端部自由地插通的轴孔；

磁性传感器，其在所述基板上从所述旋转轴向半径方向外侧离开且在所述转子的旋转角度范围内与所述磁铁的至少一部分在旋转轴向空开一定的间隔而相对，输出依存于来自所述磁铁的磁通的方向的电气信号；

盖，其从所述基板的背面关闭所述壳体，

所述旋转轴的所述轴端部被形成于所述盖的内壁的轴承孔支承。

2.如权利要求1所述的非接触式角度传感器，其中，所述转子具备：以所述旋转轴为中心包围所述螺旋弹簧，沿所述螺旋弹簧的外径的剖面为圆弧状的弹簧导向部，

所述壳体具备从其内周面朝向中心突出的弹簧支承，

沿所述螺旋弹簧的径向被导出的两端部的一方与所述弹簧导向部的周向一端在所述转子的一方的旋转方向弹性接触，向所述螺旋弹簧的径向导出的另一端部与所述弹簧支承的周向一端在所述转子的另一方的旋转方向弹性接触。

3.如权利要求1或2所述的非接触式角度传感器，其中，所述磁铁为长边的长度是短边的长度的至少2倍以上的长方形，其长边方向被磁化，所述磁铁的短边的长度设定为大于所述磁性传感器的、旋转轴半径方向的长度的一半。

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