JP2007051762A - 連結シャフト及び連結シャフトを用いた角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】実作業の厳しい環境において、シャフトに対し大きな荷重が加わっても破損することなく機器の性能を保つことのできるシャフト構造および角度センサの角度検出部の破損を防止し誤差を発生させない構造を提供することにある。
【解決手段】回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、凹部先端を有して先の凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトとを具備する連結シャフトとし、さらにこの連結シャフトの被駆動シャフトの先端側に角度検出部を設けて先の駆動シャフトの回動変位を検出する角度センサとする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、バルブ開度を調節するためのポジショナなどに搭載される回動変位を伝達する連結シャフト及びこれを用いた角度センサに係り、特にシャフトに力がかかっても信頼性を維持できるように改良された回動変位を伝達する連結シャフト及びこれを用いた角度センサに関するものである。

図７、図８はポジショナなどに搭載される従来の角度センサを模式的な構成として示した説明図である。図７は、側面図を、図８は断面図をそれぞれ示している。

ケース１は概略円筒状をなしており、その中央部にはシャフト２をガイドするための円筒部３が一体に突出して形成されている。この円筒部３を貫通して軸孔４が開けられている。

シャフト２の外端側にはシャフト２にシャフト２が回転しすぎるのを防止する回転ストッパー５が固定されている。一方、シャフト２の内端側のケース１の内部には凹部６が形成されており、この凹部６に、シャフト２の内端側の先端にシャフト２の回動変位を検出する角度検出部７が固定されて角度センサを構成している。

角度検出部７は、図９に示すように、一対のフェライト片８Ａ、８Ｂ、およびプリント基板９などで構成されている。フェライト片８Ａ、８Ｂ、は断面がコ字状をなしており、シャフト２に対して左右に分かれて固定されている。

プリント基板９は、シャフト２の軸を中心としてコイル１０Ａ、１０Ｂが左右にプリントされており、これらのコイル１０Ａ、１０Ｂを上下で挟むようにフェライト片８Ａ、８Ｂで覆っている。

磁束密度Ｂ中に一対のコイル１０Ａ、１０Ｂと一対のフェライト片８Ａ、８Ｂが配置されているが、これらのコイル１０Ａ（１０Ｂ）とフェライト片８Ａ（８Ｂ）の交差している交差面積をＳとし、コイル１０Ａ（１０Ｂ）には一定の電流Ｉが流されており、そのときの相互インダクタンスＭは、式（１）と表現できる。但し、ＢＳ＝φ（φ：磁束）
Ｍ＝ＢＳ／Ｉ （１）

交差面積Ｓは回動角度によってリニアに変化するように構成されているので、コイル１０Ａ（１０Ｂ）とフェライト片８Ａ、８Ｂとが交差する交差面積Ｓが回動角度と共にリニアに変化し、相互インダクタンスＭを変化させ、出力信号から回動角度を検出する。

下記特許文献１には、軸方向の移動変位量を吸収して、緩衝することが可能な回転駆動力伝達用の連結継手が開示されている。
また、下記特許文献２には、インダクタンスの変化による非接触形の回転角度センサが記載されている。

特開平１１−９３９６５号公報 特開平７−１３９９０５号公報 特開２０００−２５１３５７号公報 特開平８−２９７８６９号公報 特開平９−７２３６７号公報

しかし、このような従来のシャフトおよびこれを用いた角度センサには、次のような問題があった。シャフトの軸方向に荷重が加わると、プリント基板とフェライト片が接触して強度の低いフェライト片が破壊される可能性がある。実作業環境においては取扱い不注意などによりシャフト軸方向に大きな荷重がかかることも想定され、その際には破壊の可能性が増大する。

一方、プラントなどで使用される機器には故障することがないメンテナンスフリー設計が要求されている。従って、シャフトに荷重がかかるような厳しい使用環境においてもプリント基板とフェライト片が接触しない構造が要求されている。

また、フェライト片とプリント基板の間の距離が変化すると誤差の原因になるため、両部品の間隔が常に一定であることが要求されている。

従って本発明の目的は、実作業の厳しい環境において、シャフトに対し大きな荷重が加わっても破損することなく機器の性能を保つことのできるシャフト構造および角度センサの角度検出部の破損を防止し誤差を発生させない構造を提供することにある。

また、本発明の目的は、ガタツキがなく、角度誤差が小さい角度センサを提供することにある。

このような目的を達成する本発明は、次の通りである。
（１）回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、凹部先端を有して前記凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトとを具備することを特徴とする回動変位を伝達する連結シャフト。
（２）前記凸部先端は板状突起を形成し、前記凹部先端は板状溝を形成してなることを特徴とする（１）に記載の連結シャフト。
（３）前記駆動シャフトに形成された鍔部と、前記ケースに形成された段部と、これらの間に介在するスプリングと、前記鍔部が当接するケースに固定されたストッパとを具備することを特徴とする（１）又は（２）に記載の連結シャフト。
（４）回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、凹部先端を有して前記凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトと、前記被駆動シャフトの先端側に設けられた角度検出部とを具備し、前記駆動シャフトの回動変位を検出することを特徴とする連結シャフトを用いた角度センサ。
（５）前記角度検出部は、被駆動シャフトにはフェライト片が固着され、ケースにはコイルがプリントされたプリント基板が前記フェライト片に対向して配置され、前記フェライト片とコイルとの交差面積の回動変位による相互インダクタンスの変化から駆動シャフトの回動変位を検出することを特徴とする（４）記載の連結シャフトを用いた角度センサ。
（６）回転可能にケースに保持される駆動シャフトと、前記駆動シャフトの回転により回転する被駆動シャフトと、前記駆動シャフトの軸方向の変位を吸収する弾性手段と、前記被駆動シャフトに設けられた角度検出部とを備えることを特徴とする連結シャフトを用いた角度センサ。
（７）前記弾性手段は、一端が前記駆動シャフトに固定され、他端が前記被駆動シャフトに固定される板バネであることを特徴とする（６）記載の連結シャフトを用いた角度センサ。

このような課題を達成するために、本発明の実施例は、回動変位を伝達する連結シャフトであって、この連結シャフトは、回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、凹部先端を有して前記凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトとを具備するようにしたものである。

また、本発明の実施例は、連結シャフトにおいて、先の凸部先端は板状突起を形成し、先の凹部先端は板状溝を形成するようにしたものである。

さらに、本発明の実施例は、連結シャフトであって、先の駆動シャフトに形成された鍔部と、先のケースに形成された段部と、これらの間に介在するスプリングと、先の鍔部が当接するケースに固定されたストッパとを具備するようにしたものである。

また、本発明の実施例は、駆動シャフトの回動変位を検出する角度センサであって、連結シャフトを具備し、先の連結シャフトの被駆動シャフトの先端側に角度検出部を設けるようにしたものである。

さらに、本発明の実施例は、駆動シャフトの回動変位を検出する角度センサであって、先の角度検出部は、被駆動シャフトにはフェライト片が固着され、ケースにはコイルがプリントされたプリント基板が先のフェライト片に対向して配置され、先のフェライト片とコイルとの交差面積の回動変位による相互インダクタンスの変化から駆動シャフトの回動変位を検出するようにしたものである。

本発明は、駆動シャフトと被駆動シャフトとで連結シャフトを構成しており、これらのシャフトは隙間空間を介して結合しているので、駆動シャフトの軸方向に印加された大きな荷重は被駆動シャフトには伝達されず、しかも凸部先端と凹部先端が嵌め合い構造で結合しているので、駆動シャフトと被駆動シャフトは共に回動し回動機能は損なわれない効果がある。

本発明は、凸部先端は板状突起とし、凹部先端は板状溝を形成し結合しているので、簡単な構造で回動方向の変位を伝達することができる効果がある。

本記載の発明は、駆動シャフトの鍔部とケースの段部とがスプリングにより伸張されてストッパに固定されているので、駆動シャフトはストッパにより外に飛び出さない一方で、スプリングにより絶えずストッパに押しつけられ、駆動シャフトの軸方向位置は一定している効果がある。

さらに、大きな力が軸方向に印加された場合は、駆動シャフトが被駆動シャフトに当たる前にスプリングを介してケースの段部に当たる構造になっているので、いかなる場合でも被駆動シャフトは軸方向に動くことがない。また、連結シャフトの軸方向の力が除去された場合は、スプリングにより駆動シャフトは元の位置まで戻る効果がある。

本発明は、駆動シャフトの回動変位を検出する角度センサであって、この角度センサは、連結シャフトを具備し、この連結シャフトの被駆動シャフトの先端側に角度検出部を設けた構造を有しているので、連結シャフトの機能は全て備えながら安全に角度検出をすることができる。

従って、連結シャフトの回動機能は維持しながら、軸方向に過大な荷重が加わっても角度検出部には荷重がかからず変位もしないので、角度センサは破損されず、また誤差を発生させることはなく、結果として角度センサの高信頼性を確保することができる。

本発明は、角度センサの角度検出部を具体的な構成として記載したものであるので、効果を有する。さらに詳細にいえば、駆動シャフトに大きな力が軸方向に印加された場合でも連結シャフトの機能により非駆動シャフトにはいかなる場合も力が伝達されないので、フェライト片が破損せず、厳しい作業環境下においても高信頼化を実現することができる。

また、駆動シャフトは、スプリングにより絶えずストッパに押しつけられ、駆動シャフトの軸方向位置は一定しているので、被駆動シャフトの位置も一定しており、この結果、コイルがプリントされたプリント基板の位置も一定している。この結果、フェライト片とプリント基板の間隔が一定し誤差の発生を防ぐことができる。

以下、本発明について図面を用いて詳細に説明する。以下の説明において図７〜図８に示した従来の角度センサと同一の機能を有する部分には同一の符号を付して適宜にその説明を省略する。

図１は本発明に係る角度センサの一実施例を示す模式的な構成図である。図１において、ケース２０は概略円筒状をなしており、その中央部には連結シャフト２１をガイドするための円筒部２２が一体に外部に突出して形成されている。そして、この円筒部２２を貫通して軸孔２３が開けられている。

ケース２０の軸孔２３は、ケース２０の外部側に直径の大きい軸孔２３Ａとこの内側にこれに続く直径の小さい軸孔２３Ｂが形成され、軸孔２３Ａと軸孔２３Ｂとは段状に接続されて段部２４が形成されている。

連結シャフト２１の内端側のケース２０の内部には凹部２５が形成されており、この凹部２５に、連結シャフト２１の内端側の先端に連結シャフト２１の回動変位を検出する角度検出部７が配設されている。

連結シャフト２１は駆動シャフト２６と被駆動シャフト２７とから構成され、この連結シャフト２１のうち被駆動シャフト２７に角度検出部７が結合され、連結シャフト２１と角度検出部７とを合わせて角度センサ２８が構成されている。

図２は駆動シャフト２６の構成を示す。図２（Ｂ）は平面図、図２（Ａ）は左側面図、図２（Ｃ）は右側面図である。駆動シャフト２６は、図２（Ｂ）に示すように、円筒部２６Ａと、この円筒部２６Ａより直径の大きい円筒状の顎部４０と、板状突起２９をなす凸部先端３０とがこの順序で形成されている。

そして、顎部４０は、ケース２０の軸孔２３Ａと回動可能なように保持されると共に、図１に示すように、ケース２０の段部２４と顎部４０との間に挿入されたスプリング３１を保持する。

さらに、顎部４０は、ケース２０の軸孔２３Ａに外部から挿入されて固定された円筒状のストッパ３９にケース２０の外部から顎部４０の周縁部に当接して、駆動シャフト２６が外部に飛び出さないようにする。

図３は被駆動シャフト２７の構成を示す。図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は右側面図、である。被駆動シャフト２７は、図３（Ａ）に示すように、左側に円筒部３２が、中央にこの円筒部３２より直径の大きい円板状の皿部３３が、そして右側に皿部３３より直径が小さく中央が板状溝３４としてすり割り状に形成された円筒として凹部先端３５が一体として配設されている。

そして、被駆動シャフト２７の板状溝３４として形成された凹部先端３５には、駆動シャフト２６の凸部先端３０の板状突起２９が、図１に示す空間３６を保持して嵌め合い構造で挿入されている。この空間３６の存在により駆動シャフト２６に大きな軸方向の荷重が印加されたときに被駆動シャフト２７に衝撃が伝達されないように遮断することができる。

また、凹部先端３５の円筒状の脚部３７はベアリング３８を介してケース２０に固定され、ベアリング３８により被駆動シャフト２７がスムーズに回転変位するのを助けると共に被駆動シャフト２７の軸の中心を正確に保持する。

ケース２０の内部に形成された凹部２５の中には、被駆動シャフト２７の円筒部３２の先端に固定された角度検出部７が配設されている。そして、被駆動シャフト２７の円板状の皿部３３の上に、円筒部３２に固定された断面がコ字状のフェライト片８Ａ、８Ｂが固定されており、このフェライト片８Ａ（８Ｂ）のコ字状の間の空間には、ケース２０に固定されたプリント基板９が挿入固定されている。

そして、フェライト片８Ａ、８Ｂは被駆動シャフト２７の回動と共に回動し、プリント基板９を挟んで回動し、従来と同じく相互インダクタンスＭを回動変位に対応して変化させ出力信号から角度を検出する。

以上の構成によれば、被駆動シャフト２７とケース２０の間には、ベアリング３８が取り付けられているので、被駆動シャフト２７は摩擦力を受けることなく回転する。

そして、駆動シャフト２６と被駆動シャフト２７は凹凸構造になっている部分（２９、３４）にて組み合わされており、この部分は嵌め合い（隙間ばめ）構造になっているので、摩擦なく駆動シャフト２６は軸方向に回動すると共に、凹凸構造を有することから駆動シャフト２６の回動はそのまま被駆動シャフト２７へと伝達される。

また、駆動シャフト２６はストッパ３９により外に飛び出さない一方でスプリング３１により絶えずストッパ３９に押しつけられているので、駆動シャフト２６の軸方向は一定している。

そして、駆動シャフト２６が軸方向に回動すると、その力は被駆動シャフト２７に伝達され、駆動シャフト２６の回動角度だけ、被駆動シャフト２７が回動する。

ここで、仮に駆動シャフト２６に力が加わると、駆動シャフト２６は軸方向に動くが、駆動シャフト２６と被駆動シャフト２７の間に空間３６があるので、被駆動シャフト２７は軸方向に動くことはない。大きな力が加わった場合は、駆動シャフト２６は被駆動シャフト２７に当たる前にケース２０に当たる構造（２４、３１、４０）になっているので、いかなる場合においても被駆動シャフト２７は軸方向に動くことはない。

また、駆動シャフト２６の軸方向への力が除去された場合は、スプリング３１の力により駆動シャフト２６は元の位置まで戻る。

以上説明した連結シャフト２１は、バルブ開度を調節するためのポジショナに用いる角度検出部７に結合する一例として説明したが、この構造は様々な製品のシャフト構造に適用可能である。

また、以上説明した角度検出部７は、プリント基板９とフェライト片８Ａ、９Ｂとを用いる構造の角度検出部を一例として説明したが、これに限らず各種原理で動作する角度検出部を用いることができる。

以下に図４、図５、図６に基づいて本発明を詳細に説明する。図４は本発明に係る角度センサの他の実施例を示す模式的な構成図であり、図５は図４に示す駆動シャフトの構成を示す構成図であり、図６は図４に示す被駆動シャフトの構成を示す構成図である。

図４、図５、図６の構成は、それぞれ図１、図２、図３の構成に対応する。また、図１の実施例と同一の要素には同一符号を付し、説明を省略する。

図４の実施例の特徴は、弾性手段である板バネ５３に係る構成にある。

板バネ５３の一端は駆動シャフト２６に固定され、板バネ５３の他端は被駆動シャフト２７に固定される。即ち、駆動シャフト２６と被駆動シャフト２７とは、板バネ５３によって連結される。

このため、駆動シャフト２６が回転すると、被駆動シャフト２７も同期して回転する。具体的には、駆動シャフト２６が半回転すると被駆動シャフト２７も半回転する。よって、図４の実施例は、ガタツキがなく回転を伝達できる。

このとき、回転方向は、板バネ５３をねじる方向であり、板バネ５３は高い剛性を有する。よって、板バネ５３はねじれることがなく、駆動シャフト２６の回転角度と被駆動シャフト２７の回転角度とは等しくなる。

また、板バネ５３は、駆動シャフト２６と被駆動シャフト２７とに反発力を生じる。そして、駆動シャフト２６はストッパ３９に押し付けられる。このような構成により、板バネ５３は、駆動シャフト２６の軸方向の変位を吸収する。

詳しくは、駆動シャフト２６の軸方向に力が加わると、駆動シャフト２６は軸方向に変位し、板バネ５３が軸方向に縮む。また、駆動シャフト２６の軸方向に大きな力が加わると、駆動シャフト２６は軸方向に変位し、段部２４と顎部４０とが当たり、板バネ５３の変位が制限され、被駆動シャフト２７への荷重は制限される。

したがって、図４の実施例は、被駆動シャフト２７に過剰な荷重が加わることがなく、安定した特性を示す。

そして、本発明の構成は、バルブ開度を調節するポジショナに搭載される角度センサにたいして、好適な特性を示す。

また、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、その本質を逸脱しない範囲でさらに多くの変更及び変形を含むものである。

本発明に係る角度センサの一実施例を示す模式的な構成図である。 図１に示す駆動シャフトの構成を示す構成図である。 図１に示す被駆動シャフトの構成を示す構成図である。 本発明に係る角度センサの他の実施例を示す模式的な構成図である。 図４に示す駆動シャフトの構成を示す構成図である。 図４に示す被駆動シャフトの構成を示す構成図である。 従来の角度センサの模式的な構成図を示す側面図である。 従来の角度センサの模式的な構成図を示す断面図である。 従来の角度センサの模式的な構成を説明する説明図である。

符号の説明

１、２０ ケース
２ シャフト
３、２２、３２ 円筒部
４、２３、２３Ａ，２３Ｂ 軸孔
６ 凹部
７ 角度検出部
８Ａ，８Ｂ フェライト片
９ プリント基板
２１ 連結シャフト
２４ 段部
２５ 凸部
２６ 駆動シャフト
２６Ａ 円筒部
２７ 被駆動シャフト
２８ 角度センサ
２９ 板状突起
３０ 凸部先端
３１ スプリング（弾性手段）
３２ 円筒部
３３ 皿部
３４ 板状溝
３５ 凹部先端
３６，５４ 空間
３７ 脚部
３８ ベアリング
３９ ストッパ
４０ 顎部
５１ ベアリング
５２ 押さえ板
５３ 板バネ（弾性手段）

Claims (7)

1. 回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、
   凹部先端を有して前記凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトとを具備する
   ことを特徴とする回動変位を伝達する連結シャフト。
2. 前記凸部先端は板状突起を形成し、
   前記凹部先端は板状溝を形成してなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の連結シャフト。
3. 前記駆動シャフトに形成された鍔部と、
   前記ケースに形成された段部と、
   これらの間に介在するスプリングと、
   前記鍔部が当接するケースに固定されたストッパとを具備する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の連結シャフト。
4. 回動可能なようにケースに保持され凸部先端を有する駆動シャフトと、
   凹部先端を有して前記凸部先端と空間を介して嵌め合い構造で回動方向に変位を伝達し軸方向の変位は伝達しないように結合される被駆動シャフトと、
   前記被駆動シャフトの先端側に設けられた角度検出部とを具備し、
   前記駆動シャフトの回動変位を検出する
   ことを特徴とする連結シャフトを用いた角度センサ。
5. 前記角度検出部は、
   被駆動シャフトにはフェライト片が固着され、
   ケースにはコイルがプリントされたプリント基板が前記フェライト片に対向して配置され、
   前記フェライト片とコイルとの交差面積の回動変位による相互インダクタンスの変化から駆動シャフトの回動変位を検出する
   ことを特徴とする請求項４記載の連結シャフトを用いた角度センサ。
6. 回転可能にケースに保持される駆動シャフトと、
   前記駆動シャフトの回転により回転する被駆動シャフトと、
   前記駆動シャフトの軸方向の変位を吸収する弾性手段と、
   前記被駆動シャフトに設けられた角度検出部とを備える
   ことを特徴とする連結シャフトを用いた角度センサ。
7. 前記弾性手段は、一端が前記駆動シャフトに固定され、他端が前記被駆動シャフトに固定される板バネである
   ことを特徴とする請求項６記載の連結シャフトを用いた角度センサ。
   
   

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