JP2012103185A - 非接触式角度センサ - Google Patents

Abstract

【課題】自動復帰機構を備えた非接触式角度センサにおいて、回転軸の角度ブレを少なくし、耐久性を高める。
【解決手段】ケース２０内に収容されたロータ４０の回転中心に回転軸３３が固定され、回転軸の中間部は環状軸受３１に挿通支持されており、ケース内で回転軸が挿通されたコイルばね３５がケースに対しロータを中立角度位置に付勢し、ロータの背面に回転軸から半径方向外側に離れてマグネット３４が固定されており、ロータの背面と対向してケース内に設けられた基板５０上に回転軸から半径方向外側に離れてマグネットと間隔をおいて対向する磁気センサ５３が設けられ、基板の背後からケースを閉じるカバー６２の内壁に形成した軸受穴６２ａで回転軸３３の軸受端３３ｂを支持する。
【選択図】図２

Description

この発明は各種機器類の位置検出に利用される、回転軸の自動復帰機構を備えた非接触式角度センサに関する。

角度センサの回転軸の自動復帰機構は例えば特許文献１に示されているが、特許文献１が開示する角度センサは接触式角度センサであり、マグネットを使用せず、摺動子を使用している。摺動子は有害ガスや油などの付着により接触不良を起こしやすい欠点がある。
図１０にマグネットを使用した非接触式角度センサの従来例として、特許文献２に記載されている角度センサの原理的構成を示す。ただし、この従来例は回転軸の自動復帰機構を有してない。この従来例では回転軸１０の駆動端（先端）と反対側の後端にマグネット２が中心軸を一致させて固定されており、そのマグネット２の軸方向後端面と間隔を置いて対向する磁気センサ４がプリント回路基板３上に固定されている。マグネット２は回転軸１０と直角な方向に磁化されており、マグネット２からの磁束５はプリント回路基板３の板面と平行に磁気センサ４を透過する。回転軸１０の回転により磁気センサ４を透過する磁束の方向が基板３と平行な面内で回転することにより回転角度に応じた電圧が磁気センサ４から出力される。なお、特許文献２において磁気センサ４は磁気抵抗素子を使用したブリッジ回路とブリッジ回路の差分出力電圧を増幅する差動増幅器を含んでいる。

実用新案登録第2533523号公報 特表2007-516415号公報

特許文献２によるこの従来の角度センサの構成においては、マグネット２の中心と磁気センサ４の中心とが回転軸１０の中心と一致するように配置されている。従って、回転軸１０はその中間部のみで図示してない軸受けにより回転自在に支持する必要があり、回転軸１０の後端はマグネット２が取り付けられているので支持することはできない。そのため、長期使用により回転軸１０と軸受間の摩擦により磨耗により、回転軸１０の角度ブレが大きくなり、角度センサとして耐久性が悪い問題があった。

この発明の目的は上述した問題に鑑み、長期間に渡って変動が少なく、従って精度を維持することができる耐久性の優れた非接触式角度センサを提供することにある。

この発明による非接触式角度センサは、
ケースと、ケース内に収容されたロータと、ケースから突出した一端と、ロータの回転中心に挿通固定された他端とを有する回転軸と、ケース内で回転軸が挿通され、ケースに対しロータを中立角度位置に付勢するコイルばねと、ケース内に固定され、回転軸が挿通されてその中間部を回動自由に支持する環状軸受と、ロータの後端面に、回転軸から半径方向外側に離れて固定され、ロータの回転接線方向に磁化されているマグネットと、ケース内に固定され、ロータの後端面と間隔を空けて対向し、回転軸の軸端部を自由に挿通させる軸穴が形成された基板と、基板上に回転軸から半径方向外側に離れてロータの回転角度範囲内でマグネットの少なくとも一部と回転軸方向に一定の間隔を空けて対向し、マグネットからの磁束の方向に依存した電気信号を出力する磁気センサと、基板の背面からケースを閉じるカバーとを含み、回転軸の軸端部はカバーの内壁に形成された軸受穴に支持されていることを特徴とする。

この発明では、中間部を環状軸受で支持された回転軸から半径方向外側に離れた位置でロータにマグネットを取付け、更に磁気センサも回転軸から半径方向外側に離れて基板上に設けており、回転軸の後端をカバーに形成した軸受穴で支持する構成としている。そのため長期の使用に渡って回転軸の角度ブレを小さく保つことができ、耐久性を高めることができる。

Ａはこの発明による角度センサの一実施例を示す斜視図、Ｂはその正面図。 Ａは図１Ｂの２Ａ−２Ａ断面図、Ｂは図１Ｂの２Ｂ−２Ｂ断面図。 図１に示した角度センサの分解斜視図。 マグネットのロータへの取り付けを説明するための図。 Ａは回転軸が中立角度位置の状態にある時の断面図、Ｂはその部分拡大図。 Ａは回転軸を反時計方向に回しきった状態の断面図、Ｂは回転軸を時計方向に回しきった状態の断面図。 マグネットと磁気センサの位置関係を説明するための図。 この発明の角度センサによる回転角度と出力電圧の関係の例を示すグラフ。 変形実施例の図５Ａに対応する断面図。 従来の角度センサの分解斜視図。

この発明の実施形態を図面を参照して実施例により説明する。
この発明による非接触式角度センサは、回転軸を回動して中立角度位置からの回転角度に対応する電気信号を出力するものである。図１はこの発明による非接触式角度センサの一実施例の外観を示したものであり、図２はその断面構造を示したものである。また、図３は各部に分解して示したものである。

ケース２０は円筒状の収容部２１を有し、収容部２１の背面側にはその外周面から方形板状の端子導出部２２が半径方向に突出形成され、収容部２１の前面側にはその外周面から一対の取り付け部２３が互いに半径方向逆向きにフランジ状に大きく突出形成されている。また、収容部２１の前面には段付きの円筒部２４が突出形成されている。

ケース２０の円筒部２４には環状軸受３１が収容配置されており、また一対の取り付け部２３の各スリーブ穴２３ａには金属製のスリーブ３２が収容配置されている。ケース２０及び環状軸受３１はそれぞれ合成樹脂製とされ、この例では環状軸受３１及びスリーブ３２はケース２０にインサート成形されている。なお、ケース２０と環状軸受３１は共に合成樹脂製とされるが、ケース２０には高剛性で難燃性に優れた樹脂を用い、環状軸受３１には耐摩耗性に優れた樹脂を用いる。

ロータ４０は円板部４１と、その円板部４１の一面から直角に軸方向に突出形成された断面が円弧状の一対のばねガイド４２，４３とを有し、合成樹脂で成型されている。一対のばねガイド４２，４３はそれぞれ断面円弧状をなし、それら円弧は同一円周上に位置されている。円板部４１には、一方のばねガイド４３の外周側に位置する部分に切り欠き４１ａ（図４参照）が形状されている。

回転軸３３は金属製とされ、その一端には小判形部３３ａが形成され、さらに小判形部３３ａの先端面に小径の軸端部３３ｂが突出形成されている。回転軸３３はその小判形部３３ａがロータ４０の円板部４１にインサート成形されてロータ４０と一体化され、ばねガイド４２，４３のなす円弧の中心に位置される。なお、小判形部３３ａの先端面に形成されている軸端部３３ｂはロータ４０の円板部４１の背面側より突出される。

図４に示すようにロータ４０の円板部４１の背面側には長方形板状のマグネット３４が回転軸３３から半径方向外側に離れた位置に取り付けられる。マグネット３４は、その長辺方向に磁化されており、その長辺はロータ４０の回転接線方向とされている。

コイルばね３５は回転軸３３に挿通されてロータ４０の一対のばねガイド４２，４３内の空間に収容される。一対のばねガイド４２，４３はコイルばね３５の外径に沿ってコイルばね３５を囲み、これによりコイルばね３５は一対のばねガイド４２，４３に外接して保持される。

回転軸３３はケース２０にインサート成形されている環状軸受３１の穴３１ａに挿通されて中間部で軸支されている。ケース２０の円筒部２４において環状軸受３１の前方にはリップシール３６が配置され、さらにその前方にリップシール３６の移動を規制するワッシャ３７、Ｅリング３８が配置される。Ｅリング３８は回転軸３３に設けられているＥリング挿入溝３３ｃに嵌め込まれ、リップシール３６とワッシャ３７の脱落を防いでいる。ケース２０の前面側はリップシール３６によって封止される。

ケース２０の収容部２１の背面側開口部には基板５０がロータ４１の背面と間隔を空けて平行に取り付けられる。基板５０は中心に軸穴５９が形成された円形部５１と、その円形部５１の外周円弧辺から半径方向外側に延長された方形部５２をと有している。基板５０には図示してないプリント配線が形成されており、基板５０上には回転軸３３から半径方向外側に離れて、かつ回転軸３３の軸方向においてマグネット３４と間隔を空けて磁気センサ５３が設けられている。磁気センサ５３には磁気抵抗素子と複数の抵抗とから構成されたブリッジ回路が含まれており、ブリッジ回路の磁気抵抗素子としてＧＭＲ素子(Giant Magneto Resistance素子)を使用した磁気センサはモールドパッケージ部品として市販されている。ブリッジ回路の差分出力である磁気センサ５３の出力は基板５０上に設けられた作動増幅器５４により増幅される。作動増幅器５４の出力は端子６１から検出角度を表す電圧として出力される。

基板５０の方形部５２には端子挿入穴５８が形成されており、これら端子挿入穴５８には端子６１がそれぞれかしめられて取り付けられる。なお、図３では端子６１のかしめ部６１ａはかしめられた後の形状として示している。磁気センサ５３、作動増幅器５４に対する電源供給、角度検出電圧の導出などは基板５０上のプリント配線を通して端子６１から行われる。

基板５０はケース２０の収容部２１内に圧入され、収容部２１の内周壁に形成された突き当て部２１ａに突き当てられて収容される。これにより、基板５０は回転軸３３の軸方向に位置決めされる。

ケース２０の収容部２１の背面側開口部にはさらに基板５０の背後からカバー６２が取り付けられる。カバー６２はケース２０の収容部２１内に設けられている熱かしめ部２１ｂを熱かしめすることによって固定される。カバー６２の内面には回転軸３３の先端に形成されている径が細くされた軸端部３３ｂを軸受する軸受穴６２ａが形成されており、軸端部３３ｂはこの軸受穴６２ａに軸支される。従って、回転軸３３はその中間部と後端部で支持されることになる。

ケース２０に取り付けられたカバー６２の周囲には図２に示したように接着剤６３が塗布・充填され、これによりケース２０の背面側が封止される。また、この例ではケース２０内部において端子６１が位置する部分に空間部を設け、端子６１の周囲及びかしめ部６１ａの周囲にも図２Ｂに示したように接着剤６３を充填している。これにより、端子６１は堅固に固定され、また端子６１間の水分の電気分解によるマイグレーションを防止することができるものとなっている。

次に、コイルばね３５の径方向に導出されている両端部３５ａ，３５ｂの、ケース２０内における位置・係止状態について図５を参照して説明する。

図５は回転軸３３が中立角度位置に位置している状態を示したものであり、ロータ４０の断面が円弧状のバネガイド４３の円弧角とケース２０の内周面に回転軸方向に突設された円弧状のバネ受け２５の円弧角はほぼ等しくされている。コイルばね３５の両端部３５ａ，３５ｂはロータ４０のばねガイド４３の周方向両端面４３ａ，４３ｂと、ケース２０の内周面のばね受２５の周方向両端面２５ａ，２５ｂとを挟んで弾接されている。これにより、回転軸３３の中立角度位置におけるロータ４０とケース２０の周方向の相対的ガタを抑圧している。

図６Ａ，Ｂはそれぞれ回転軸３３が反時計方向及び時計方向に回転された状態を示したものであり、ロータ４０のばねガイド４３は図６Ａではコイルばね３５の一方の端部３５ａをその弾性に抗して押圧し、図６Ｂでは他方の端部３５ｂをその弾性に抗して押圧している。ロータ４０が回転することによりマグネット３４からの磁気センサ５３を透過する磁束の方向が回転し、所望の出力信号を端子６１より得ることができる。回転軸３３の回転力を解除すると、コイルばね３５の弾性復元力により、ロータ４０及び回転軸３３は図５Ａに示した元の中立角度位置に復帰する。

図７は基板５０に固定された磁気センサ５３に対するロータ３３に固定されたマグネット３４の回転角度位置と互いの重なりの関係の例を示す。磁気センサ５３は短辺の長さＡと長辺の長さＢとが近い矩形のモールドパッケージであり、その中心Ｏｓは回転軸の中心Ｏｘから距離Ｒｓだけ離れており、中心ＯｘとＯｓを結ぶ直線は長辺と平行とされている。マグネット３４は長辺の長さＬが短辺の長さＷの少なくとも２倍以上の長方形であり、長辺方向に磁化されている。マグネット３４の短辺の長さＷは好ましくは磁気センサ５３の長辺の長さＢに対しB/2<W<Bとされている。

中立角度位置においてはマグネット３４と磁気センサ５３の配置は中心ＯｘとＯｓを結ぶ直線に対し対称なので、一方向の回転についてのみ説明する。ロータの中立角度位置において、マグネット３４の中心Ｏｍが中心ＯｓとＯｘ間の直線上にあり、マグネット３４は磁気センサ５３の、中心Ｏｘ側の少なくとも半分を覆っている。回転軸を時計方向に角度θだけ回転し、マグネット３４が破線で示す位置となった時、角度センサが使用される目的に要求される検出出力電圧となるよう磁気センサ５３の寸法に対しマグネット３４の寸法及び回転軸中心Ｏｘから磁気センサ５３及びマグネット３４の中心Ｏｓ，Ｏｍまでの距離Ｒｓ，Ｒｍ等を決める。

例えば、磁気センサ５３の長辺と短辺の比Ｂ/Ａを1.25とし、マグネットの長辺と短辺の比Ｌ/Ｗを４とし、Rs/A=1.5とした場合、例えば図８に示すように、回転角度θと検出電圧の関係は中立角度位置（θ＝０°）を挟んでほぼ±２２°の範囲でほぼ線形の関係が得られた。

［変形実施例］
前述の実施例では回転軸を回動して中立角度位置を中心とする両方向の角度範囲で回動可能な角度センサの例を示したが、中立角度位置から一方向のみの角度範囲で回動可能にしてもよい。その場合は、例えば図９に図５Ａと対応させて断面を示すように、回転軸３３の中立角度位置においてケース２０の内周面から中心方向に突出したばね受け２５と、ロータ４０のばねガイド４３が回転軸３３を中心とする同一円周上で隣接するように形成される。このとき、ばねガイド４２の左回り方向端面からばね受け２５までの左回り回動許容角範囲は少なくとも２θとなるようばねガイド４２は形成されている。図９の中立角度位置を図７に示す破線で示すマグネットの角度位置を中立角度位置とし、左回りに回転軸を回動させて回転角の増加と共に出力電圧が大となる特性を得るためには、マグネットの磁化方向を図７，８で説明した実施例の場合の磁化方向と逆にする。この構成により中立角度位置から半時計方向に２θまで回転角の検出を可能とできる。

以上説明したように、この発明による角度センサでは回転軸３３の中間部が環状軸受３１で支持されるのに加えて、回転軸３３の後端部の軸端部３３ｂをカバー６２の軸受穴６２ａで支持しているため、特許文献１による図１０のように回転軸１０の後端部にマグネットが取り付けられ、従って後端部が支持されてない構成に比べて、回転軸の角度ブレが少なく、長期間に渡って耐久性が高い。

なお、この角度センサは例えば電動カートやスクータ等における前進・後退アクセルレバーの回転角の検出や、自動車のアクセルの踏み込み角度の検出等に用いられる。

Claims (3)

1. ケースと、
   前記ケース内に収容されたロータと、
   前記ケースから突出した一端と、前記ロータの回転中心に挿通固定された他端とを有する回転軸と、
   前記ケース内で前記回転軸が挿通され、前記ケースに対し前記ロータを中立角度位置に付勢するコイルばねと、
   前記ケース内に固定され、前記回転軸が挿通されてその中間部を回動自由に支持する環状軸受と、
   前記ロータの後端面に、前記回転軸から半径方向外側に離れて固定され、前記ロータの回転接線方向に磁化されているマグネットと、
   前記ケース内に固定され、前記ロータの後端面と間隔を空けて対向し、前記回転軸の軸端部を自由に挿通させる軸穴が形成された基板と、
   前記基板上に前記回転軸から半径方向外側に離れて前記ロータの回転角度範囲内で前記マグネットの少なくとも一部と回転軸方向に一定の間隔を空けて対向し、前記マグネットからの磁束の方向に依存した電気信号を出力する磁気センサと、
   前記基板の背面から前記ケースを閉じるカバーと、
   を含み、
   前記回転軸の前記軸端部は前記カバーの内壁に形成された軸受穴に支持されていることを特徴とする非接触式角度センサ。
2. 請求項１記載の非接触式角度センサにおいて、前記ロータは前記回転軸を中心として前記コイルばねを囲み、前記コイルばねの外径に沿う断面円弧状の一対のばねガイドを備え、
   前記コイルばねの径方向に導出された両端部は前記一対のばねガイドの一方のばねガイドの周方向両端面及び前記ケースの内周面に突設されたばね受の周方向両端面に弾接されていることを特徴とする非接触式角度センサ。
3. 請求項１又は２記載の非接触式角度センサにおいて、前記マグネットは長辺の長さが短辺の長さの少なくとも２倍以上の長方形であり、その長辺方向に磁化されており、前記マグネットの短辺の長さは前記磁気センサの、回転軸半径方向の長さの半分より大とされていることを特徴とする非接触式角度センサ。
   

Images