JP2017015549A - ストロークセンサ - Google Patents
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Description
このストロークセンサは、被検出体の移動に追従するシャフトと、シャフトが収納されるハウジングと、ハウジングの一端部を塞ぐように配置されて貫通するシャフトの摺動を支持するキャップ部と、シャフトの他端に設けられる磁石と、ハウジングに設けられて磁石の磁界変化を検出する磁気検出素子と、シャフトが往復移動した後、シャフトを原点位置に復帰させる原点復帰機構と、を備え、被検出体が軸方向に往復する移動量を磁界の変化によって検出するものである。
また、磁石の取付中心とシャフトの中心がずれてしまうと摺動部の一部にシャフトが強く当たり局所的な摩耗が生じ易くなるといった問題点がある。
被検出体に追従して原点位置を中心に往復する検出シャフトの移動量を検出するストロークセンサであって、
前記検出シャフトの回転を規制して摺動可能に支持するハウジングと、
前記検出シャフトと前記ハウジングとの間に設けられ前記移動量を検出して移動した後の前記検出シャフトを前記原点位置に復帰させる原点復帰機構と、を備え、
前記検出シャフトの側面に設ける磁石と、
前記磁石と対向して前記ハウジングに設け前記検出シャフトの移動に伴う磁界の変化から前記移動量を検出する磁気検出素子と、を有する、
ことを特徴とする。
本発明のストロークセンサ1は、図1に示すように、被検出体に追従して原点位置Oを中心に往復する検出シャフト10の移動量を検出するストロークセンサ1であって、検出シャフト10の回転を規制して摺動可能に支持するハウジング20と、検出シャフト10とハウジング20との間に設けられ移動量を検出して移動した後の検出シャフト10を原点位置Oに復帰させる原点復帰機構30と、を備え、検出シャフト10の側面に設ける磁石40と、磁石40と対向してハウジング20に設け検出シャフト10の移動に伴う磁界の変化から移動量を検出する磁気検出素子50と、を有して構成される。
検出シャフト10は、図1〜図3に示すように、第1シャフト11と、第2シャフト12とで構成され、第1シャフト11と第2シャフト12がねじで連結されている。
第1シャフト11は、直径の異なる3つの径大部11aと、径中部11bと、径小部11cとを有して構成されている。
径小部11cは、ハウジング20(第1ハウジング21)から外側に突き出しており、被検出体と連結するため、例えば、雄ねじ11dが形成され、被検出体とねじで連結され追従する。
径大部11a及び径中部11bは、ハウジング20(第1ハウジング21)内に配置されており、ハウジング20(第1ハウジング21)との間の、後述する摺動支持部23で回転が規制されて摺動ができるように支持される。
径大部11aは、径小部11cとは反対側の端面に第2シャフト12と連結するための雌ねじ部11eを有している。さらに、径大部11aの端面の雌ねじ部11eの外周部には、第2シャフト12の位置及び第1シャフト11との芯だし状態を確保するための芯出し溝11fが同心状に形成してある。この芯出し溝11fを形成することで、芯出し溝11fの内周面で第2シャフト12の中心と第1シャフト11の中心を高精度に合致させ、環状の平端面で第2シャフト12の締め込み位置を所定に保持して連結することができる。
これにより、後述する第2シャフト12に加わるばね31cの荷重による第1シャフト11に対する偏芯を極力抑えることができる。
径大部11aの端面の芯出し溝11fより外側の端面が、後述する原点復帰機構30のピストン31aの係止部11gとされ、第1シャフト11が押し込まれる場合に、押し込む力をピストン31aに伝達する。
これにより、ピストン31aを介してばね31cによる抗力が発生し、第1シャフト11を原点位置Oに復帰させることができるようになる。
また、径大部11aは、径小部11cとは反対側の端部に、側面を平坦にカットした切り欠き面11hが形成されて横断面形状が略D形状に形成してある。
切り欠き面11hの第1シャフト11の軸方向の長さは、検出ストロークSと同一あるいは、少し長くしてある。この切り欠き面11hによって第1シャフト11の回転が、後述するハウジング20(第1ハウジング21)の摺動支持部23と協働して、規制される。
径中部11bは、側面に半径方向の磁石収納部11iが形成されている。磁石収納部11iには、磁石40が収納され、接着剤などで固定される。
第2シャフト12は、例えば、金属材料が用いられる。第2シャフト12は、第1シャフト11と同様、非磁性材料の方が好ましいが、磁石40との距離を確保してあるため、鋼材等の軟磁性材料であっても磁界への影響度は低く、コストや強度と照らし合わせて適宜材料を選択することが可能である。
第2シャフト12は、3つの径の異なる径大部12aと、径中部12bと、径小部12cとを有して構成されている。
径小部12cには、雄ねじ12dが形成され、雄ねじ12dと径中部12bとの間に段差部12eが形成してある。
これにより、雄ねじ部12dと第1シャフト11の雌ねじ部11eとで第2シャフト12と第1シャフト11が連結され、段差部12eを第1シャフト11の芯出し溝11fに嵌合するように締め付けることで、芯出し状態で、しかも所定の軸方向位置で連結される。連結に際しては、補強用接着剤(例えば、シーロック剤)などでねじの緩み防止を行う。
径中部12bは、所定の軸方向長さの円柱状に形成されており、後述する原点復帰機構30のピストン31a、31b及びばね31cが装着される。
径大部12aは、後述する原点復帰機構30のピストン31bの係止部12fを構成しており、第1シャフト11のピストン31aの係止部11gと対をなすものである。径大部12aは、外側周囲の形状が、例えば6角形状としてあり、第1シャフト11との連結の際にレンチなどの工具で回すことができるようにしてある。
第1ハウジング21は、非磁性材料で略円筒状に形成されており、例えば、アルミニウムやステンレス鋼などの金属材料や、PBT(Poly Butylene Terephthalate )やPPS(Poly Phenylene Sulfide )などの合成樹脂材料が用いられる。第1ハウジング21の内周部には、径大穴部21aと、径中穴部21bと、径小穴部21cとが連続して形成してあり、径中穴部21bと径小穴部21cとで第1シャフト11の摺動支持部23が構成される。
径大穴部21aは、内周面の中間部に雌ねじ部21dが形成され第2ハウジング22がねじで連結される。径大穴部21aには、雌ねじ部21dの先端側(径中穴部21b側)に形成される周面21eおよび端面21fが第2ハウジング22と嵌合されて、芯合わせと軸方向の連結位置を設定する。
また、径大穴部21aの端面21fは、後述する原点復帰機構30のピストン31aの当接面となる。
径中穴部21bは、図1及び図4に示すように、第1シャフト11の径大部11aの切り欠き面11hの外側面と接触する略D形状の横断面に形成され、軸方向には、第1シャフト11の検出ストロークSだけ第1シャフト11が移動しても余裕のある軸方向長さに形成される。
径小穴部21cは、第1シャフト11の径中部12bが摺動可能な内径に形成してある。
これにより、第1シャフト11は、ハウジング20の摺動支持部23を構成する径中穴部21bの略D形状及び径小穴部21cによって、中心軸回りの回転が規制され、しかも軸方向には、検出ストロークS分の摺動が高精度になされるように支持される。
したがって、第1シャフト11は、略全長が第1ハウジング21によって回転が規制されて摺動可能に支持されることになる。
第1ハウジング21には、第1シャフト11の磁石収納部11iと対向して磁気検出素子50が実装された回路基板51の基板収納部21gが形成してある。基板収納部21gには、第1シャフト11の切り欠き面11hと平行な底面を備えた矩形の凹部とされ、底面から上方に突き出して回路基板51の位置決めピン21hと回路基板51を仮固定するねじのための雌ねじ部21iが形成してある。基板収納部21gに位置決めピン21hと回路基板51を仮固定するねじのための雌ねじ部21iを設けることで、回路基板51に実装した磁気検出素子50を磁石40に対して極力小さなギャップで第1ハウジング21に固定することができ、磁石40による磁界の変化を精度良く検出することができる。
第2ハウジング22は、図1及び図5に示すように、外形状が略2段の円筒状に形成されており、径大部22aと径小部22bとを備えている。
径大部22aの中間部外周には、雄ねじ22cが形成され、雄ねじ22cより先端側の外周部22dと先端面22eが第1ハウジング21の周面21eと端面21fに嵌合される芯だし部としてある。これにより、第2ハウジング22の雄ねじ22cと第1ハウジング21の雌ねじ部21dとで、芯出し状態で、しかも軸方向の所定位置に締め付けて連結することができる。
径大部22aの内周側には、円筒状の径大穴部22fおよび径小穴部22gが連続して形成してあり、径大穴部22fが原点復帰機構30のピストン31a、31bおよびばね31cを収納するピストン収納部31dとなる。径小穴部22gは、第2シャフト12の端部の径大部12aの収納空間となっている。
また、径大穴部22fと径小穴部22gとの段差面22hが後述する原点復帰機構30のピストン31bの当接面となる。
径小部22bは、外側の端面から中心部に雌ねじ部22iが形成されており、ストロークの検出対象となる被検出体に保持するために用いられる。
なお、第2ハウジング22は、金属材料で形成する場合に限らず、ねじ部分を金属材料として合成樹脂材料にインサート成形して形成するようにしても良い。
2つのピストン31a、31bは、例えば、金属材料が用いられる。2つのピストン31a、31bは、非磁性材料の方が好ましいが、磁石40との距離を確保してあるため、鋼材等の軟磁性材料であっても磁界への影響度は低く、耐久性や強度と照らし合わせて適宜材料を選択することが可能である。
2つのピストン31a、31bは、底付き円筒状に形成され底部分の中心に第2シャフト12の径中部12bに装着するための装着穴が形成されている。
2つのピストン31a、31bは、底部分を外側にして対向させ、第2シャフト12の径中部12bに摺動可能に装着され、2つのピストン31a、31b間にコイルばねで構成したばね31cが介装され、第2シャフト12に装着されている。
2つのピストン31a、31bは、第1ハウジング21と第2ハウジング22が連結されて形成される第2ハウジング22の径大穴部22f(ピストン収納部31d)内に摺動可能に配置される。
また、この原点位置Oでは、ピストン31aの外側面(底付き円筒の底の外側面)が第1シャフト11の径大部11aの端面である係止部11gに当接し、もう一方のピストン31bの外側面(底付き円筒の底の外側面)が第2シャフト12の径大部12aの第1シャフト11側の端面に当接している。
なお、ピストン31a、31bが収納されるピストン収納部31dには、外周面にグリースなどの潤滑剤が塗布され、長期的に安定した摺動を確保する。
本実施例では、磁石40は、SmCo焼結磁石を用いた円柱形状とされており、長軸方向である垂直方向(磁石厚み方向)に2極が着磁されている。
磁石40は、検出シャフト10の第1シャフト11の磁石収納部11iに収納され、接着剤などで固定される。
磁石40は、第1ハウジング21の磁石40と対向する磁気検出素子50に磁界を提供しており、磁石40が検出シャフト10とともに変位することで、磁気検出素子50へ与える磁界の向き(磁力)を変え、結果的に磁気検出素子50が移動量として検出する。
磁石40は、製造手法により焼結磁石やプラスチックと混ぜて圧縮もしくは成形されたプラスチック磁石などのいずれでも良い。
焼結磁石の方が強力な磁力を有する一方、プラスチック磁石の方が大量生産性や耐割れ性が高いなど特性があることから、使用条件や設計要件に応じて適宜選択すれば良い。
例えば、磁気検出素子50は、回路基板51に複数のホール素子が実装されて磁気検出パッケージとして構成される。
ここでは、磁気検出パッケージの磁気検出素子50の検出面は、磁石40の着磁方向に垂直な方向に配置してある。磁気検出素子50を備える磁気検出パッケージは、回路基板51をハウジング20(第1ハウジング21)の基板収納部21gに収納され、位置決めピン21hと雌ねじ部21iにビスで仮固定した後、ポッティング剤やシール部材と蓋にて気密に保持される。こうすることで、磁石40とのギャップを極力小さくして高精度に磁界の変化を検出できるようにしている。
磁気検出パッケージの磁気検出素子50への電源の取り込みや外部への出力は、ダイレクトコネクタもしくはコードにて行われる。
なお、磁気検出素子50は、ワイヤーフレーム等に実装して磁気検出パッケージとして構成しても良い。
磁気検出素子50を用いる磁気検出パッケージ9でのストロークSの検出は、回路基板51の複数のホール素子で、磁石40の成す磁界の磁気検出素子50の磁気検出面に対し垂直方向の磁界と水平方向の磁界を検出する。得られた垂直方向及び水平方向の2方向の磁界を処理回路(例えば、ASIC;Application Specific Integrated Circuit)にて三角関数(ATAN)により角度換算して、角度情報として出力される。なお、出力された角度情報と検出シャフト10の移動量(ストロークS)は比例しており、結果的に検出シャフト10の移動量を検出することができる。
また、磁気検出素子50を備える磁気検出パッケージからの出力方式は、どのような方式であっても良く、検出結果を利用するコントロールユニット(ECU;Engine Control Unit)などに応じて選択すれば良い(例えば、アナログ、PWM(Pules Width Modulation)、SENT(Single Edge Nibble Transmission)など)。
これにより、回転を規制した検出シャフト10に取り付け磁石40とハウジング20に取り付ける磁気検出素子50のギャップを極力小さくすることができ、磁界の変化を高精度に検出することができる。また、磁石40を検出シャフト10の側面に取り付けることで、小さな磁石40とすることができ、磁界を集中させて大きな変化からストロークを検出することができる。
また、ハウジング20に対して検出シャフト10が回転せずに摺動することで、接触面積が大きい検出シャフト10の揺動がなく、検出シャフト10の一部が強くハウジング20に当たることが防止でき、局所的な摩耗の発生を防止して耐久性を向上することができる。
また、検出シャフト10及びハウジング20の一方側に集中して磁気検出部となる磁石40及び磁気検出素子50を配置し、他方側に原点復帰機構30を配置したので、検出シャフト10及びハウジング20の一方側を非磁性材料とすることで、他方側が磁性金属材料で構成されても、磁界への影響を極力小さくして磁界の変化を検出することができる。これにより、原点復帰機構30を金属材料とすることで、耐久性を向上することができる。
また、上記の検出シャフト10及びハウジング20の一方側と他方側で、鉄系材料を非磁性、磁性とに分けることによって、磁石40の周辺部を非磁性材として磁界変化の影響を抑えることができ、検出精度を向上することができ、他方側は、材料の選択の自由度を増大することができる。
10 検出シャフト
11 第1シャフト
11a 径大部
11b 径中部
11c 径小部
11d 雄ねじ部
11e 雌ねじ部
11f 芯出し溝
11g 係止部
11h 切り欠き面
11i 磁石収納部
12 第2シャフト
12a 径大部
12b 径中部
12c 径小部
12d 雄ねじ
12e 段差部
12f 係止部
20 ハウジング
21 第1ハウジング
21a 径大穴部
21b 径中穴部
21c 径小穴部
21d 雌ねじ部
21e 周面
21f 端面
21g 基板収納部
21h 位置決めピン
21i 雌ねじ部
22 第2ハウジング
22a 径大部
22b 径小部
22c 雄ねじ
22d 外周面
22e 先端面
22f 径大穴部
22g 径小穴部
22h 段差面
22i 雌ねじ部
23 摺動支持部
30 原点復帰機構
31a ピストン
31b ピストン
31c ばね
31d ピストン収納部
40 磁石
50 磁気検出素子
51 回路基板
O 原点位置
S 検出ストローク
Claims (3)
- 被検出体に追従して原点位置を中心に往復する検出シャフトの移動量を検出するストロークセンサであって、
前記検出シャフトの回転を規制して摺動可能に支持するハウジングと、
前記検出シャフトと前記ハウジングとの間に設けられ前記移動量を検出して移動した後の前記検出シャフトを前記原点位置に復帰させる原点復帰機構と、を備え、
前記検出シャフトの側面に設ける磁石と、
前記磁石と対向して前記ハウジングに設け前記検出シャフトの移動に伴う磁界の変化から前記移動量を検出する磁気検出素子と、を有する、
ことを特徴とするストロークセンサ。 - 前記検出シャフトは、非磁性材料の第1シャフトと、前記第1シャフトに連結される磁性材料の第2シャフトと、で構成され、
前記第1シャフトを支持する第1ハウジングは、非磁性材料で構成される、
ことを特徴とする請求項1に記載のストロークセンサ。 - 前記第2シャフトと、前記第2シャフトを収納する第2ハウジングと、前記第2ハウジングに収納される前記原点復帰機構は、金属材料で構成される、
ことを特徴とする請求項2に記載のストロークセンサ。
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