JP2005083957A - 傾斜角センサ - Google Patents

Abstract

【課題】 地磁気の影響を受けず、かつ、傾斜角を精度よく検出することの可能な小型・軽量化された傾斜角センサの提供を目的とする。
【解決手段】 筐体である基板２，３と、この基板２，３に取り付けられた軸受ユニット４と、この軸受ユニット４に軸支された回転軸５と、この回転軸５に取り付けられ、永久磁石６とアーム７からなる振り子体９と、永久磁石６からの磁束を検出する磁気センサ８とを備え、磁気センサ８を回転軸５の上方に設け、かつ、磁束発生手段１０を振り子体９の重心９ａより上方に設けた構成としてある。
【選択図】 図３

Description

本発明は、車両，船舶，航空機等の移動体やロボット，工作機械等の産業機械等に取り付けられ、これらの傾斜角を検出する傾斜角センサに関し、特に、磁気センサを回転軸の上方に設け、かつ、磁束発生手段を振り子体の重心より上方に設けることにより、磁気センサの検出精度を向上させることができ、かつ、小型・軽量化可能な傾斜角センサに関する。

従来から、車両，船舶，航空機等の移動体やロボット，工作機械等の産業機械等（以下、車両等と記載する）の傾斜を検出する傾斜角センサとして、磁石及び磁気センサを備えた振り子型のものが様々開発されてきた。

たとえば、特許文献１には、回転可能に支持された磁石と、この磁石に対向して配置された磁気センサとを備え、磁石の回転による磁束の変化で磁気センサの出力を変化させる検出器において、磁石が、回転自在に支持されることにより、その一定部分が常に鉛直方向を向くことを特徴とする移動検出器の技術が開示されている。

また、特許文献２には、被取付体に固着される固定体に、相対的かつ回動可能に取り付けられた振り子と、この振り子に取り付けられた磁束発生手段と、この磁束発生手段の回動軌跡に対応する固定体の一部に取り付けられたリードスイッチと、磁束発生手段の回動軌跡に沿って固定体に配設された非磁性かつ導電性を有する制動体とを備えた傾斜センサの技術が開示されている。

特開２００２−２２１５３０号公報（請求項１，２、図１，２） ＷＯ９９／３０１１０号公報（請求項１，２１、図３９，４２）

しかしながら、特許文献１に開示された移動検出器は、磁石板に回転軸と直交するように対をなすＳ極とＮ極が配設されており、地磁気の影響を受ける構造となっている。このため、磁石板を小型・軽量化すると地磁気に反応して磁石板が回転し、傾斜角を精度よく検出することができないといった問題があった。

また、特許文献２に開示された傾斜センサは、傾斜センサが所定の角度で傾斜したとき、固定体の一部に取り付けられたリードスイッチがオンすることにより、傾斜センサが所定の角度で傾斜したことを検出することができるものの、任意の傾斜角を検出する角度検出センサとしての機能を有していない。

本発明は、上記諸問題を解決すべく、地磁気の影響を受けず、かつ、傾斜角を精度よく検出することの可能な小型・軽量化された傾斜角センサの提供を目的とする。

この目的を達成するために、本発明の傾斜角センサは、筐体と、この筐体に取り付けられた軸受と、この軸受に軸支された回転軸と、この回転軸に取り付けられ、磁束発生手段を有する振り子体と、前記磁束発生手段からの磁束を検出する磁気センサとを備えた傾斜角センサであって、前記磁気センサを前記回転軸の上方に設け、かつ、前記磁束発生手段を前記振り子体の重心より上方に設けた構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記磁束発生手段として、前記回転軸の一側に、一方をＮ極及び他方をＳ極をとした磁石を前記回転軸と平行に配設した第一の磁束発生手段と、前記回転軸の他側に、一方をＳ極及び他方をＮ極とした磁石を前記回転軸と平行に配設した第二の磁束発生手段を設けた構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記磁束発生手段としての永久磁石の圧入孔に、圧入固着される前記回転軸の圧入部の長さを、前記永久磁石の厚さの１／４〜１／２とした構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記永久磁石の圧入孔と前記回転軸の圧入部との圧入代を、５μｍ〜１０μｍとした構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記回転軸のピボット部の軸径を５０μｍ〜２００μｍとした構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記回転軸のビッカース硬度をＨｖ４５０〜６５０とした構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記筐体に、前記振り子体を収納する収納室を設け、前記振り子体と前記収納室との隙間を、１００μｍ〜２００μｍとした構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記収納室に通気孔を設けた構成としてある。

また、本発明の傾斜角センサは、前記振り子体と当接して傾斜角の最大検出範囲を規制するストッパーを設け、前記傾斜角の最大検出範囲を±９０°とした構成としてある。

本発明における傾斜角センサによれば、磁束発生手段と磁気センサとの距離を短くすることができ、磁気センサの検出精度を向上させることができるとともに、傾斜角センサを小型・軽量化することができる。
また、Ｎ極及びＳ極からなる一対の磁束発生手段を、回転軸と平行にかつ極性の向きが逆向きとなるように配設することにより、傾斜角センサを小型・軽量化しても、外部磁界（たとえば、地磁気）の影響を受けることなく精度よく傾斜角を検出することができる。

また、回転軸の圧入部の長さを調整することにより、接着剤等を使用しなくても、小型化された永久磁石に回転軸を圧入固着することができる。
さらに、永久磁石の圧入孔と回転軸の圧入部の圧入代を調整することにより、永久磁石が滑って回転軸に対して相対的に回転するといった不具合を防止することができる。

また、回転軸のピボット部の軸径を細くすることにより、軸受として腕時計用の貴石を使用することができる。
さらに、回転軸を硬くすることにより、ピボット部の軸径を細くしても軸受と良好に摺動することができ、また、耐衝撃性を向上させることができる。

また、振り子体を収納する所定の収納室を設けることにより、振り子体によって収納室が仕切られ、エアーダンパ効果が発生し、振り子体の振動減衰を早くすることができる。
さらに、収納室に通気孔を設けることにより、振り子体の振動減衰特性を容易に調整することができる。
また、ストッパーを設けることにより、振り子体の回動範囲を容易に規制することができ、用途に応じて±９０°以内の回動範囲を自由に設定することができる。

図１は、本発明にかかる傾斜角センサの概略正面図を示している。
また、図２は、図１における概略Ａ−Ａ拡大断面図を示している。
さらに、図３は、図２における概略Ｂ−Ｂ断面図を示している。
図１，２，３において、傾斜角センサ１は、筐体としての左基板２と右基板３，この左右両基板２，３に装着された一対の軸受ユニット４，この軸受ユニット４に軸支された回転軸５，この回転軸５が圧入固着される磁束発生手段としての永久磁石６，この永久磁石６に取り付けられるアーム７，及び，永久磁石６からの磁界を検出する磁気センサ８とからなっている。なお、永久磁石６にアーム７を取り付けると振り子体９となる。

左基板２と右基板３は、非磁性の樹脂からなる成形品であり、上部中央に凹部２４が形成されたほぼ矩形板状の形状としてある。
また、基板２，３は、外側のほぼ中央部に軸受ユニット４が装着される、ざぐり穴を有する軸受取付孔２１が形成してある。
さらに、内側のほぼ中央部に振り子体９が回動自在に収納される収納室２２が形成してある。この収納室２２は、回転軸５を介して軸受ユニット４に軸支された振り子体９が回動可能な形状としてある。

ここで、好ましくは、回動する振り子体９と収納室２２との隙間Ｗ１，Ｗ２（径方向の隙間Ｗ２及び軸方向の隙間Ｗ１）を、１００μｍ〜２００μｍとするとよい（図２参照）。このようにすると、振り子体９が回動するには、上記隙間を空気が移動する必要があり、このときエアーダンパ効果が発生し、振り子体９の振動減衰を早くすることができる。

また、好ましくは、各収納室２２に通気孔２３を設けた構成としてある。本実施形態では、各収納室２２の正面側，背面側及びこれらの中間位置に三個の通気孔２３を配設してある。このようにすると、振り子体９の振動減衰特性を容易に調整することができる。さらに、大きな振動減衰特性を求める場合は、すべての通気孔２３を別部品で塞ぐ等して、封止すれば良い。
また、この通気孔２３にピンを挿入することにより振り子体９を係止でき、振り子体９を所望の位置に停止させることができるので、容易に磁気センサ８の校正を行なうことができる。
なお、本実施形態では、通気孔２３を、基板２，３にそれぞれ三個ずつ配設してあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、一個，二個又は四個以上配設してもよい。

また、基板２，３の各収納室２２に振り子体９と当接して傾斜角の最大検出範囲を規制するストッパー２５を設け、傾斜角の最大検出範囲を±９０°とするとよい。このようにすると、振り子体９の回動範囲を容易に規制することができ、用途に応じて±９０°以内の回動範囲を自由に設定することができる。

軸受ユニット４は、図２に示すように、軸受取付孔２１に嵌入される枠４１と、この枠４１に装入される渦巻きばね４２と、この渦巻きばね４２の中央部に連結されたラジアル軸受４３と、渦巻きばね４２を振り子体９の方向に押さえつけるとともに枠４１内に収納されるばね押え４４と、このばね押え４４に装着されるスラスト軸受４５と、ばね押え４４を振り子体９の方向に付勢した状態で保持する止め輪４６とからなっている。
この軸受ユニット４は、ラジアル軸受４３とスラスト軸受４５が回転軸５と摺動し、回転軸５を軸支する。そして、傾斜角センサ１に衝撃が加えられると、渦巻きばね４２がラジアル方向の衝撃を吸収・緩衝し、止め輪４６がスラスト方向の衝撃を吸収・緩衝する。
なお、軸受ユニット４は、上記構成に限定されるものではなく、衝撃が加えられても、衝撃を吸収し回転軸５を軸支できる構成の軸受ユニットであればよい。

永久磁石６は、ＮｄＦｅＢプラマグ磁石であり、図４に示すように、側面中央に圧入孔６１が形成された円筒状の形状としてある。
また、本実施形態の永久磁石６は、ＮｄＦｅＢプラマグ磁石としてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、フェライト磁石、希土類磁石等の永久磁石を用いることができる。

また、永久磁石６は、圧入孔６１の両側を、圧入孔６１と平行に、かつ、極性が逆転するように着磁されている。すなわち、圧入孔６１の右側領域は、第一の磁束発生部６２であり、正面側がＳ極となり背面側がＮ極となっており、また、圧入孔６１の左側領域は、第二の磁束発生部６３であり、正面側がＮ極となり背面側がＳ極となっている。そして、第一の磁束発生部６２と第二の磁束発生部６３とにより磁束発生手段１０が構成されている。
このようにすると、従来の傾斜角センサで生じていた、「地磁気の伏角の影響による永久磁石６の回転に伴う振り子体９の重心方向と重力の方向のずれ」という欠点を解消することができる。すなわち、第一の磁束発生部６２に発生する回転力の方向と第二の磁束発生部６３に発生する回転力の方向とを異ならせることにより、第一の磁束発生部６２に発生する回転力と第二の磁束発生部６３に発生する回転力とを相殺できる為、小型・軽量化された永久磁石６が傾斜していないのに地磁気に反応して回動してしまうといった不具合を防止することができる。

アーム７は、最上部にすり割７１が加工された円環７２と、円環７２の最下部に矩形板状の錘７３が突設された形状としてあり、円環７２が磁石６に固着され（図２，３参照）、このとき振り子体９の重心は９ａとなる。このようにすり割７１を形成することにより、円環７２の曲げ応力に対する復元力によって、アーム７が永久磁石６に固着されるので、容易に圧入することができる。
また、アーム７は、非磁性の材料、たとえば、黄銅等を用い、永久磁石６の磁力線を外周方向に放射する構造としてある。

図５は、本発明にかかる傾斜角センサの回転軸の概略拡大正面図を示している。
同図において、回転軸５は、永久磁石６の圧入孔６１に圧入固着される圧入部５１と、この圧入部５１の両端に形成されたいんろう部５２と、いんろう部５２から突設された小径のピボット部５３とから構成されている。
また、いんろう部５２とピボット部５３との間の形状変化部分は、応力集中を緩和するために、円弧状の曲面として形成されている。

ここで、圧入部５１の長さｔを、永久磁石６の厚さＴに対して、ｔ＝Ｔ／４〜Ｔ／２となるようにするとよく、このようにすると、脆くて割れやすい永久磁石６に、回転軸５を圧入固着することができる。この理由は、永久磁石６が小型・軽量化され、たとえば、外径約１３００μｍ，内径約３００μｍ，厚さ約６００μｍであるような場合、ｔがＴ／２より長いと、圧入する際永久磁石６が割れてしまうからであり、また、ｔがＴ／４より短いと十分な固着力を得ることができないからである。

また、好ましくは、永久磁石６の圧入孔６１に対する回転軸５の圧入部５１の圧入代を、５μｍ〜１０μｍとするとよく、このようにすると、磁石６を回転軸５に強固に固着することができる。この理由は、圧入代が５μｍより小さいと十分な固着力を得ることができず、圧入代が１０μｍより大きいと、圧入する際永久磁石６が割れてしまう危険性が高くなるからである。
なお、接着剤を用いて回転軸５を永久磁石６に固着する方法も想定されるが、接着作業が困難であること，及び，圧入孔６１と圧入部５１の間に隙間があると、永久磁石６が回転軸５に対し、偏心した状態で固着される心配がある。

回転軸５は、ピボット部５３の軸径を５０μｍ〜２００μｍとするとよく、このようにすると、腕時計用の貴石（一般的に、軸径が５０μｍ〜２００μｍである。）をラジアル軸受４３やスラスト軸受４５として使用することができる。
また、回転軸５のビッカース硬度を、Ｈｖ４５０〜Ｈｖ６５０とするとよく、このようにするとピボット部５３の軸径を細くしても、軸受４３，４５との良好な摺動性を維持することができ、さらに、耐衝撃性を向上させることができる。この理由は、ビッカース硬度がＨｖ４５０より低いと摺動性や耐衝撃性が不足するからであり、ビッカース硬度がＨｖ６５０より高いと弾性が低下し脆くなりすぎるからである。
なお、上記ビッカース硬度を実現する上で、回転軸５の材質を、焼入可能な工具鋼又はマルテンサイト系ステンレス、たとえば、ＳＫ材やＳＵＳ４２０などを使用するとよい。

各基板２，３は、振り子体９が装着された状態で、二本の止めねじ３１によって接合される。このため、左基板２には、止めねじ３１が挿入される貫通孔３２が形成され、右基板３には、止めねじ３１が締め込まれる雌ねじ（図示せず）が形成されている。
なお、本実施形態では、各基板２，３は、止めねじ３１によって接合される構成としてあるが、この構成に限定されるものではない。たとえば、図示してないが、一方の基板２（３）にノッチを突設し、他方の基板３（２）にノッチが嵌入される貫通孔を形成し、基板２，３を接合する。そして、貫通孔から突き出たノッチ先端を溶解させて、この溶解部によって基板３（２）を係止する構造としてもよい。

磁気センサ８は、組み立てられた基板２，３の凹部２４に接着剤により固定されている。
すなわち、傾斜角センサ１は、磁気センサ８が回転軸５の上方に設けられ（回転軸５が磁気センサ８と振り子体９の重心９ａとの間に位置するように配設され）、かつ、振り子体９の重心９ａより上方に（磁気センサ８側に）磁束発生手段１０としての磁化された第一の磁束発生部６２及び第二の磁束発生部６３を配設した構成としてある（図３参照）。このようにすると、永久磁石６の各磁束発生部６２，６３と磁気センサ８との距離を短くすることができ、磁気センサ８の検出精度を向上させることができるとともに、傾斜角センサ１を小型・軽量化することができる。

また、傾斜角センサ１は、磁束発生手段１０である第一の磁束発生部６２及び第二の磁束発生部６３を、回転軸５とほぼ同じ高さの両側にそれぞれ配設してある。このようにすると、磁気センサ８が検出可能な回動角度が大きくなり、傾斜角の最大検出範囲を±９０°とすることができる。

また、磁気センサ８は、ホール素子８２が埋設された構造としてあり、振り子体９の傾斜角を検出する。なお、本実施形態では、ホール素子８２を使用しているが、磁気センサ８は、ホール素子８２を使用する構成に限定されるものではない。
また、磁気センサ８は、四本の入出力端子８１を備えており、二本の入出力端子８１を介して制御電流がホール素子８２に供給され、他の二本の入出力端子８１を介して、磁界（磁束密度）に応じた出力電圧を出力する。

また、上記ホール素子８２は、永久磁石６の中央面６４よりいずれか一方の側に位置している。仮に、ホール素子８２が、永久磁石６の中央面６４に位置していると、振り子体９が傾いて、たとえば、磁束発生部６２が磁気センサ８に接近しても、磁束発生部６２の対をなすＳ極及びＮ極の磁界が相殺しあい、磁気センサ８は、磁界を検出することができず傾斜角を検出することができない。
このように、ホール素子８２は、振り子体９が傾いていない状態では、第一の磁束発生部６２のＳ極と第二の磁束発生部６３のＮ極が相殺し、出力電圧０Ｖを出力する。また、ホール素子８２は、振り子体９が傾いて、たとえば、第一の磁束発生部６２がホール素子８２に接近すると、Ｓ極の磁界を検出し負の出力電圧を出力する。これに対し、たとえば、第二の磁束発生部６３がホール素子８２に接近すると、Ｎ極の磁界を検出し正の出力電圧を出力する。

また、磁気センサ８の四本の入出力端子８１を車両等の実装基板（図示せず）に半田付けすることにより、傾斜角センサ１を車両等に容易に取り付けることができる。
なお、磁気センサ８は、基板２，３に接着される構成としてあるが、この構成に限定されるものではなく、たとえば、基板２，３に係止部（図示せず）を設け、磁気センサ８を係止部に係止する構造としてもよい。

このように、傾斜角センサ１は、小型・軽量化され、かつ、地磁気の影響を受けることなく精度よく傾斜角を検出することができる。
また、回転軸５の圧入部５１の長さや圧入代を調整することにより、脆くて割れやすい永久磁石６に回転軸５を圧入固着することができる。
さらに、振り子体９を収納する収納室２２を設け、振り子体９と収納室２２との隙間を調整したり、収納室２２に通気孔２３を設けることにより、振り子体９の回動速度を容易に調整することができる。

なお、本発明の振り子体９は、上記構成に限定されるものではない。
図６は、本発明にかかる傾斜角センサの振り子体における応用例の概略図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は正面図を示している。
同図において、振り子体９０は、ほぼ矩形板状の振り子体本体９１と、この振り子体本体９１に嵌入した二本の棒磁石９２，９３とからなっている。
振り子体本体９１は、黄銅等の非磁性金属材料からなり、上部が半円状に形成され、この半円の中心に回転軸５ａが圧入固着されている。
また、棒磁石９２は、回転軸５ａの両側に、回転軸５ａと平行に磁極の向きを逆にした状態で圧入固着してある。すなわち、振り子体本体９１の右側に、第一の磁束発生手段としての棒磁石９２を正面側がＳ極、背面側がＮ極となるように固着し、かつ、左側は、第二の磁束発生手段としての棒磁石９３を正面側がＮ極、背面側がＳ極となるように固着している。

上記構成の振り子体９０は、重心９０ａが回転軸５ａの下方に位置し、さらに、棒磁石９２，９３が振り子体９０の重心９０ａより上方に位置する。
したがって、振り子体９の代わりに、この振り子体９０を用いても、上記実施形態とほぼ同様の効果を奏することができる。

また、本発明の傾斜角センサについて、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。

本発明の傾斜角センサは、傾斜角に応じた検出信号を出力するセンサとしてあるが、これに限定されるものではなく、たとえば、車両等に力が作用したことを検出する加速度センサや、車両等に振動が加えられたことを検出する振動センサ等にも適用が可能である。

本発明にかかる傾斜角センサの概略正面図を示している。 図１における概略Ａ−Ａ拡大断面図を示している。 図２における概略Ｂ−Ｂ断面図を示している。 本発明にかかる傾斜角センサの永久磁石の概略図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は正面図を、（ｃ）は背面図を示している。 本発明にかかる傾斜角センサの回転軸の概略拡大正面図を示している。 本発明にかかる傾斜角センサの振り子体における応用例の概略図であり、（ａ）は上面図を、（ｂ）は正面図を示している。

符号の説明

１ 傾斜角センサ
２ 左基板
３ 右基板
４ 軸受ユニット
５，５ａ 回転軸
６ 永久磁石
７ アーム
８ 磁気センサ
９，９０ 振り子体
９ａ，９０ａ 振り子体の重心
１０ 磁束発生手段
２１ 軸受取付孔
２２ 収納室
２３ 通気孔
２４ 凹部
２５ ストッパー
３１ 止めねじ
３２ 貫通孔
４１ 枠
４２ 渦巻きばね
４３ ラジアル軸受
４４ ばね押え
４５ スラスト軸受
４６ 止め輪
５１ 圧入部
５２ いんろう部
５３ ピボット部
６１ 圧入孔
６２ 第一の磁束発生部
６３ 第二の磁束発生部
６４ 中央面
７１ すり割
７２ 円環
７３ 錘
８１ 入出力端子
８２ ホール素子
９１ 振り子体本体
９２，９３ 棒磁石

Claims (9)

1. 筐体と、この筐体に取り付けられた軸受と、この軸受に軸支された回転軸と、この回転軸に取り付けられ、磁束発生手段を有する振り子体と、前記磁束発生手段からの磁束を検出する磁気センサとを備えた傾斜角センサであって、
   前記磁気センサを前記回転軸の上方に設け、かつ、前記磁束発生手段を前記振り子体の重心より上方に設けたことを特徴とする傾斜角センサ。
2. 前記磁束発生手段として、前記回転軸の一側に、一方をＮ極及び他方をＳ極をとした磁石を前記回転軸と平行に配設した第一の磁束発生手段と、前記回転軸の他側に、一方をＳ極及び他方をＮ極とした磁石を前記回転軸と平行に配設した第二の磁束発生手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の傾斜角センサ。
3. 前記磁束発生手段としての永久磁石の圧入孔に、圧入固着される前記回転軸の圧入部の長さを、前記永久磁石の厚さの１／４〜１／２としたことを特徴とする請求項１又は２記載の傾斜角センサ。
4. 前記永久磁石の圧入孔と前記回転軸の圧入部との圧入代を、５μｍ〜１０μｍとしたことを特徴とする請求項３記載の傾斜角センサ。
5. 前記回転軸のピボット部の軸径を５０μｍ〜２００μｍとしたことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の傾斜角センサ。
6. 前記回転軸のビッカース硬度をＨｖ４５０〜６５０としたことを特徴とする請求項５記載の傾斜角センサ。
7. 前記筐体に、前記振り子体を収納する収納室を設け、前記振り子体と前記収納室との隙間を、１００μｍ〜２００μｍとしたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の傾斜角センサ。
8. 前記収納室に通気孔を設けたことを特徴とする請求項７記載の傾斜角センサ。
9. 前記振り子体と当接して傾斜角の最大検出範囲を規制するストッパーを設け、前記傾斜角の最大検出範囲を±９０°としたことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の傾斜角センサ。

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