JP2016110166A - 回転体の非接触データ伝送システム及びこれを用いた回転トルク検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型でかつコストを低減した回転体の非接触データ伝送システムを提供する。【解決手段】回転自在な回転軸に取り付けられた環円盤状の回転基板上には外周円の接線方向に最大の発光放射強度を有して回転側光学素子が実装されており、回転軸中心からの距離が回転基板の外周半径よりも小さい位置でかつ回転基板表面に対し受光感度を有した向きにて固定側光学素子が、回転軸を支持して外部からの光線を遮断する筐体に固定された固定基板に実装されている。筐体の内部には回転側光学素子から発光された光線を反射させて固定側光学素子に届くように反射体が設けられている。【選択図】 図１

Description

本発明は、回転体から非接触でデータを伝送するシステムに関するものである。

従来、回転体から非接触手段によって回転体側で生成されたデータを取り出す方法が様々開示されている。特許文献１では、回転体の円筒面上に横断面がお椀状のリングを設け、このお椀底部に回転体の半径外側方向に向けて発光するように発光素子を複数一定角度で円弧状に配置し、これを取り囲むように固定側にも横断面がお椀状の外側リングを設け、発光素子に近接対向して受光素子が等配角度で複数並べて、回転体の物理量すなわち回転トルクの検出信号を伝送するようにしている。

特許文献２では、複数個の光学素子を、回転体の円筒面に回転する円周方向に向けて配置して、これと対向する円筒状の固定体にも複数個の光学素子を置くと共に固定体の内面壁を鏡面とし、複数回の反射を利用して光によるデータ通信を行っている。

特許文献３では、円盤面上に軸中心方向に向けて発光素子を配置して、軸中心には回転速度が半分である反射板を設けて軸の半径方向へ反射させ、回転体の外周にある固定側に設けた受光素子へ発光して光によるデータ通信を行っている。

特開平６−３０１８８１号公報 特開２００６−１０８３３７号公報 特開２００９−１３０７７３号公報

しかしながら、特許文献１〜２においては、回転体の外周の外側に固定体側の光学素子が複数個設けられているため、外形が大きくなってしまうという問題があった。固定体側では光学素子にて受送信した信号を処理する回路が必要であり、これを付加するとさらに外形サイズが大きくなってしまっていた。また光路の内面を鏡面仕上げにする必要があり、これをリング部材に施すには研磨やメッキが必要となりコストアップとなっていた。

一方特許文献３においては、キュービックミラーを使用していること、キュービックミラー部を半分の回転速度にするため減速機構が必要でありコストアップとなっていた。

本発明は、小型でかつコストを低減した回転体の非接触データ伝送システム及びこれを用いた回転トルク検出器を提供することを課題としている。

本発明の回転体の非接触データ伝送システムは、
回転自在な回転軸に取り付けられて回転軸の物理量を検出して物理データを生成する回路を有した円環円盤状の回転基板と、
回転基板の外周円の接線方向に最大の発光放射強度を有して回転基板に実装されて、発光光線により非接触で物理データを送信する回転側光学素子と、
回転軸の中心からの距離が回転基板の外周半径よりも小さい位置でかつ、回転基板の回転側光学素子の搭載面に対して受光感度を有して設けられ、回転側光学素子から非接触で物理データを受信する固定側光学素子と、
回転軸を支持して外部光線を遮断する筐体と、
筐体の内部にあって、回転側光学素子からの発光光線を反射する反射体と、
筐体に固定され、固定側光学素子を実装した固定基板と、
を有したことを特徴としている。

反射体が、アルミニウムの鏡面テープであることが好ましい。

また発光光線が赤外線であることが好ましい。

さらに回転基板への電力供給が、対をなす分離型回転変圧器によって固定基板から非接触で行われることが好ましい。

本発明の回転トルク検出器は、上記の回転体の非接触データ伝送システムを有し、物理データが回転軸の回転トルクの値であることを特徴としている。

また回転トルクが、歪みゲージからなるホイートストンブリッジ回路によって検出されることが好ましい。

本発明によれば、複雑な構造が不要で小型化を図った回転トルク検出器等に寄与した回転体の非接触データ伝送システムを実現できる。

本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの筐体側面を切断開口した構造図である。 本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの筐体側面を切断開口した構造図である。 本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの電気電子回路ブロック構成図である。 本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの筐体底面を切断開口した底面図である。 本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの正面方向の断面模式図と側断面模式図である。 本発明の実施形態に係る、回転体の非接触データ伝送システムの正面方向の断面模式図と側断面模式図である。 従来の、回転体の非接触データ伝送システム例の正面方向の断面模式図と側断面模式図である。 本発明の実施形態を説明するための、回転体の非接触データ伝送システムの正面方向の断面模式参考図と側断面模式参考図である。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。

図１及び図２は、本発明が適用される回転体の非接触データ伝送システムの実施形態を示している。以下本発明の回転体の非接触データ伝送システムの適用の一例である回転トルクを検出するトルク検出器を用いて説明を行う。

筐体１ａ、１ｂは回転体の非接触データ伝送システム１４の構成物を覆って外界環境から保護すると共に、外部からの光線を遮断している。そして、対をなすベアリング１０を介して回転軸５を回転自在に支持している。

蓋２は筐体１ａにある開口部を塞いでネジ止めされ、筐体１ａ、１ｂ同様に非接触データ伝送システム１４の構成物を覆って外界環境から保護すると共に、外部からの光線を遮断している。

回転軸５はベアリング１０を介して筐体１ｂに回転自在に支持され、歪みゲージ９を添着した起歪部を有し、回転軸５に加わる回転トルクを検出することができるように構成されている。

回転基板３は回転軸５に、段差を有した回転軸ツバ５ｂとナット６によって挟み込まれて固定されている。したがってその形状は円環円盤状をなしている。回転基板３は複数の電気電子部品１３が実装されていて後述の電気電子回路を有している。ここで言う電気電子部品１３は回転基板３上に実装されたすべての部品群を指している。回転基板３の回転時の偏りは、回転軸５の回転トルク検出に影響を及ぼすため、回転バランスを考慮して電気電子部品１３の配置がなされている。

回転側光学素子８は、回転基板３の面上にあって、回転方向すなわち外周円の接線方向に最大の発光放射強度をもって実装されている。回転側光学素子８は赤外線の発光を行うものが、発光強度の強さや外界からの影響を比較的受けにくい点で本発明の実施形態においては好ましい。本実施形態では筐体１ａ、１ｂと蓋２により外界からの光線の侵入を防止して、さらなるデータ伝送の品質を確保している。

固定側光学素子７は、回転側光学素子８と対をなして、回転側光学素子８からの発光光線を受信するものであって、固定基板４ａ上で、回転軸５に対面する側に実装されている。固定側光学素子７の置かれる位置に関しては後述する。

反射体１１は回転側光学素子８から発光される波長の光線を反射するものであり、筐体１ａの内壁に回転基板３を囲んで設けられている。本実施形態では回転側光学素子８は赤外線発光素子であるため、この波長の光線を反射することができる粘着剤付きのアルミニウムの鏡面テープを用いて筐体１ａに帯状に貼付している。よって特殊なコーティングを施した鏡面部材を用いる必要がなく、筐体１ａの内壁面に貼るのも容易である。

固定基板４ａは基板対基板接続コネクタ１２を介して固定基板４ｂと電気的に接続されている。固定基板４ａは固定基板４ｂとスペーサ１５によって機械的にもその位置が保たれるように接続固定がなされ、固定基板４ｂは筐体１ａ、１ｂにネジ止めされて所定の位置に固定がなされている。また固定基板４ｂには回転基板３へ非接触で給電するための分離型回転変圧器の１次側が設けられている。すなわち固定基板４ｂには、両端に突部を設けた断面がコの字型のフェライトの１次側コア１００が、コアホルダ１０２を介して取り付けられている。そしてこの１次側コア１００の両突部間には銅線を巻回してなる１次側コイル１０１が設けられている。

一方、回転軸５には、１次側コイル１０１及び１次側コア１００と所定間隔をおいて対向するように、分離型回転変圧器の２次側が構成されている。２次側コア１０３は回転軸５に２次側コアベース１０５を介して固定されており、この２次側コア１０３の外周に銅線を巻回してなる２次側コイル１０４が設けられている。

図３は本発明の実施形態に係る回転体の非接触データ伝送システム１４の電気電子回路ブロック構成図であって、これを用いて電気電子回路の詳細について説明する。外部の直流電源５０は回転体の非接触データ伝送システム１４へ直流で電力供給しており、スイッチング回路４２にて交流に変換された電流を１次側コイル１０１に通電すると、交流磁界が発生し、この交流磁界が回転軸側の２次側コア１０３に透過することで、２次側コイル１０４に電流が誘起される。

誘起された電流は回転基板３内に設けられた整流化回路３２を経て直流に変換され歪みゲージ９、ＣＰＵ３１、増幅回路３３及びＡ／Ｄ変換回路３４に供給される。以上の仕組みをもって、回転基板３に非接触で給電がなされる。

次いで回転軸５において検出される物理量である物理データすなわち回転トルク値のデータの流れについて説明する。回転軸５の平板状の起歪部に添着された歪みゲージ９は、回転軸５の剪断応力を検知するように配置され、その起歪部の歪みによる抵抗値変化から回転トルクを算出、生成することができる。歪みゲージ９の抵抗値の変化はホイートストンブリッジ回路を構成して検出され、その出力は増幅回路３３を経てＡ／Ｄ変換回路３４によってアナログ信号からデジタル信号に変換され、ＣＰＵ３１によってデジタル信号を処理して回転側光学素子８を発光させて、トルク値であるデータ信号を赤外の光線によって送信する。この発光によるデジタル信号を固定側光学素子７は受信し、ＣＰＵ４１を経てＤ／Ａ変換回路４３にてアナログ電圧出力として回転トルク値を外部に取り出すことができる。ＣＰＵ４１は固定側光学素子７の受光の制御を行うと共に、スイッチング回路４２の周波数の設定も行っている。

図４は本発明の実施形態に係る回転体の非接触データ伝送システム１４の筐体底面を切断開口して底面側から見た底面図である。固定側光学素子７は回転基板３の回転側光学素子８が実装された側すなわち回転側光学素子８の搭載面に対面しており、Ａ＝約３０度で斜めの向きに配置されている。この角度は、固定側光学素子７、回転基板３、回転側光学素子８、反射体１１の位置関係から発光光線の受信強度が最も強くなるように設定することができる。なお図１、図２、図４において、回転側光学素子８と固定側光学素子７は受光発光の両方が可能な一体型の光学素子で描かれている。

図５は本発明の実施形態に係る回転体の非接触データ伝送システム１４の正面方向の断面模式図とその横断面の模式図である。固定基板４ａ上に実装された固定側光学素子７は回転軸５の中心からｙ方向にて距離ｄ離れたところに設けられ、回転基板３の外周半径ｒよりも小さくなっている。したがって図７に示すように固定基板４ａが回転基板３の外周にある従来例（図７参照）と較べて図面縦方向の長さを短くできるため、小型化が実現できる。

本実施形態では回転側光学素子８及び固定側光学素子７は赤外線によるものであり、筐体１ａ、１ｂの各辺の外形寸法が最大１５０ｍｍ程度と通信距離が短いため、固定側光学素子７の前方の視界範囲には受光感度を有している。しかしながら斜線で示すデッドエリアＤＡは、回転軸５及び回転軸ツバ５ｂによって視界範囲が遮られ、ここに回転側光学素子がある時光線を受光しにくいエリアとなっている。本実施形態では固定側光学素子７が回転基板３の外周外側ではなく、回転基板３の回転側光学素子８の実装面に対向した位置にあって、回転基板３上に実装された電気電子部品１３を避けて軸方向で離間した位置にある。固定側光学素子７と回転側光学素子８は直接向き合う位置関係とはなっていないが、固定側光学素子７を回転基板３の回転側光学素子８の実装面に向け、また回転軸５の中心から遠い位置に配置することで、回転側光学素子８がいずれの位置においても光線の受光ができるように、反射体１１が筐体１ａ内部に設けられている。

回転側光学素子８がデッドエリアＤＡにあった場合の光線の経路の具体例を図５は示している。位置Ｐａにある回転側光学素子８から矢印付き一点鎖線で示すように、発光した光線は筐体１ａに貼られた反射体１１で反射して、固定基板４ｂに届き、固定基板４ｂも基板表面にレジストがあるため赤外線を反射して、固定側光学素子７へ到達する。すなわち回転側光学素子８から発光された光線は筐体１ａ、１ｂ内の閉じた空間で複数回の反射を経て固定側光学素子７へ到達する。固定基板４ｂにも反射体１１を貼るように固定基板４ｂの部品配置やパターンレイアウトすれば、さらに安定した受光を実現できる。

回転軸５の回転時には回転基板３も回転軸５と同じ回転数で回転しており、回転側光学素子８の直接光、反射体１１による反射光のいずれかを固定側光学素子７は受光することで、データの伝送が可能である。

回転側光学素子８先端に示した破線は、発光の放射強度の半値角の境界を表している。本実施形態では半値角が±２４度の光学素子を使っており先端から円錐形で広がっているがこれを平面で表記している。したがって位置Ｐａにある回転側光学素子８から発光された光線は反射体１１面上では楕円形となり、その長軸の長さがＬａｙとなる。

図６はデッドエリアＤＡの両端に回転側光学素子があった場合の状態２種を示したものである。回転側光学素子８の位置がＰｂの場合、発光された光線は反射体１１面上では楕円形となり、そのｙ方向成分長さがＬｂｙとなる。回転側光学素子８の位置がＰｃの場合、発光された光線は反射体１１面上では楕円形となり、そのｙ方向成分長さがＬｃｙとなる。したがってこのＬａｙ、Ｌｂｘ、Ｌｂｙ、Ｌｃｙの長さが長いほど光線を反射する面積が大きくなり受光が容易となる。また回転側光学素子８の位置が位置Ｐｂの場合は２点鎖線、位置Ｐｃの場合は点線で、固定側光学素子７へ到達する光線経路の例を示している。

図７は従来の回転体の非接触データ伝送システムを示したものであり、固定側光学素子７は回転基板３の外周から離間した位置にあって、３個の回転側光学素子８ｄ、８ｅ、８ｆと直接対向して設けられている。このような構成では、光線を受信しにくいデッドエリアＤＡにおける回転側光学素子からの発光の受信が望めないため、複数個の回転側光学素子が必要であり、コストアップになっている。また複数個設けることで、各々１００〜２００ｍＡ程度の電流を必要としているため、消費電力が大きくなり、分離型回転変圧器の大型化が必要となる。回転軸５に固定される部材の大型化、質量の増加は慣性モーメントの増大を招き、回転トルク検出には不利であり、測定精度の確保が難しくなる。また固定側光学素子７は回転基板３の外周から離間した位置にありそれに伴い、固定基板４ａ、４ｂが回転軸５から離れた位置に配置されることになって、外形が大きくなってしまう。

また本実施形態において、図８に示すように固定側光学素子７を図面下側へ向けて配置すると、回転側光学素子８が固定側光学素子７よりも図で上側の位置に来た時の光線や、固定基板４ｂからの反射光は固定側光学素子７にとって後ろ側からの光線となってしまい、充分な感度が得られずデータ伝送において有用な配置とは言えないことが判る。

ゆえに本発明によれば、固定側光学素子７を回転基板３の外周円よりも小さいエリアに配置し、これを実装した固定基板４ａを回転軸５に接近させて小型化を図っている。そのために固定側光学素子７を回転基板３の回転側光学素子８実装面に向けて配置し、回転側光学素子８を回転基板３の外周の接線方向に向けて配置し、筐体１ａ、１ｂの内部に反射体１１を設けて死角なく安定して光線を受光できるようにしたので回転側光学素子は１個で済ませられ、回転側光学素子の個数を減らすことができ、コストダウンを実現することができる。さらに回転側光学素子の個数を減らすことで消費電力も低減でき、回転軸５に固定される部材すなわち非接触給電のための分離型回転変圧器の小型化も可能となり、全体のコストダウンを実現できる。

本発明は、回転体からデータを取り出す非接触コネクタや回転トルク検出器に適用することができる。

１ａ、１ｂ 筐体
２ 蓋
３ 回転基板
４ａ、４ｂ 固定基板
５ 回転軸
５ｂ 回転軸ツバ
６ ナット
７ 固定側光学素子
８、８ｄ、８ｅ、８ｆ 回転側光学素子
９ 歪みゲージ
１０ ベアリング
１１ 反射体
１２ 基板対基板接続コネクタ
１３ 電気電子部品
１４ 回転体の非接触データ伝送システム
１５ スペーサ
３１ ＣＰＵ
３２ 整流化回路
３３ 増幅回路
３４ Ａ／Ｄ変換回路
４１ ＣＰＵ
４２ スイッチング回路
４３ Ｄ／Ａ変換回路
５０ 直流電源
１００ １次側コア
１０１ １次側コイル
１０２ コアホルダ
１０３ ２次側コア
１０４ ２次側コイル
１０５ ２次側コアベース
ＤＡ デッドエリア
Ｐａ 位置ａ
Ｐｂ 位置ｂ
Ｐｃ 位置ｃ

Claims (6)

1. 回転自在な回転軸に取り付けられて前記回転軸の物理量を検出して物理データを生成する回路を有した円環円盤状の回転基板と、
   前記回転基板の外周円の接線方向に最大の発光放射強度を有して前記回転基板に実装されて、発光光線により非接触で前記物理データを送信する回転側光学素子と、
   前記回転軸の中心からの距離が前記回転基板の外周半径よりも小さい位置でかつ、前記回転基板の前記回転側光学素子の搭載面に対して受光感度を有して設けられ、前記回転側光学素子から非接触で前記物理データを受信する固定側光学素子と、
   前記回転軸を支持して外部光線を遮断する筐体と、
   前記筐体の内部にあって、前記回転側光学素子からの発光光線を反射する反射体と、
   前記筐体に固定され、前記固定側光学素子を実装した固定基板と、
   を有したことを特徴とする回転体の非接触データ伝送システム。
2. 前記反射体が、アルミニウムの鏡面テープであることを特徴とする請求項１に記載の回転体の非接触データ伝送システム。
3. 前記発光光線が赤外線であることを特徴とする請求項１から２のいずれかに記載の回転体の非接触データ伝送システム。
4. 前記回転基板への電力供給が、対をなす分離型回転変圧器によって前記固定基板から非接触で行われることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回転体の非接触データ伝送システム。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の回転体の非接触データ伝送システムを有し、前記物理データが、前記回転軸の回転トルクの値であることを特徴とする回転トルク検出器。
6. 前記回転トルクが、歪みゲージからなるホイートストンブリッジ回路によって検出されることを特徴とする請求項５に記載の回転トルク検出器。