JP2017503345A - 非接触型リニアポテンショメータ - Google Patents

Abstract

本発明は、一種の非接触型リニアポテンショメータを開示しており、該ポテンショメータは、摺動子と、回転シャフトと、ガイドロッドと、トンネル型磁気抵抗センサと、永久磁石と、プリント基板と、２つの支持構造体とを備える。この構造では、摺動子は、ガイドロッドおよび回転シャフトに沿って移動して、回転シャフトを回転させ、永久磁石は、回転シャフトの一端に取り付けられるので、回転シャフトが回転すると回転する。トンネル型磁気抵抗センサは、永久磁石に隣接して配置され、プリント基板上にはんだ付けされ、永久磁石の回転角を測定するのに使用される。ガイドロッドは、摺動子の摺動方向を制限し、２つの支持構造体は、ガイドロッドおよび回転シャフトの両端に配置され、回転シャフトおよびガイドロッドを支持するのに使用される。摺動子と回転シャフトと間に配置されるのは、玉軸受、ピンおよびスプリングリーフである。このポテンショメータは、心地よいユーザ体験を提供する円滑な摺動子の動きを提供できることに加えて、小型構造である、製造が容易である、耐用年数が長いという複数の利点を有する。【選択図】 図１

Description

本発明は、リニアポテンショメータに関し、特に、線形変位を回転角変位に変換して、トンネル型磁気抵抗センサを使用して検出を行う非接触型リニアポテンショメータに関する。

このポテンショメータは、高線形性、高信頼性などを有する新しいタイプの電子部品であり、航空機、宇宙飛行機、精密機械ならびに計器などの分野に適用可能である。技術の進歩により、長い耐用年数、高性能、高信頼性を有するポテンショメータの開発が急務である。現在では、回転式ポテンショメータが大きな進歩をとげている。しかし、線形摺動式ポテンショメータにおいては、研究がほとんど行われていない。

先行技術では、線形摺動式ポテンショメータは、電子ブラシ構造を使用して、線形摺動により電子ブラシの位置を変化させることで製品の機能を発揮することができる。「ｌｉｎｅａｒ ｓｌｉｄｉｎｇ ｔｙｐｅ ｐｏｔｅｎｔｉｏｍｅｔｅｒ」と題された中国特許出願第２０１０１０５２８６０１．１号明細書は、線形摺動式ポテンショメータを開示しており、線形摺動式ポテンショメータは、ハウジングと、ハウジング内で移動可能な摺動シャフトと、ハウジング内に設置される出力バスとを備え、ハウジング内に抵抗器アセンブリが設置され、抵抗器アセンブリは、導電トラックが設けられた絶縁板と、絶縁板に設置された３本の絶縁電線とを備える。摺動シャフトの一端は、ハウジング内部へと突出し、電子バスアセンブリは、ハウジングへと突出する摺動シャフトの端部に設置され、電子ブラシアセンブリは、摺動シャフトに固定される摺動子を備え、電子ブラシに接続されるスプリングリーフは、摺動子に固定され、電子ブラシは、絶縁板上の導電トラックと接触する。センサは線形変位を電気信号に変換することができるが、その構造は複雑であり、耐用年数は短いので、センサは頻繁な摺動子の動作に適さない。この設計を基にして、本出願人は、構造にいくつかの改良を加え、新規特許出願第２０１２２０５５７８８３．２号を提案している。この特許出願は、同軸二重リニア摺動式ポテンショメータを開示している。このポテンショメータは、ハウジングと、導電性プラスチック基板Ｉと、導電性プラスチック基板ＩＩとを備え、導電性プラスチック基板Ｉの下面および導電性プラスチック基板ＩＩの上面にはそれぞれ抵抗器が設けられ、摺動ロッドが導電性プラスチック基板Ｉと導電性プラスチック基板ＩＩとの間のハウジングからに突出し、摺動子はハウジング内に向かって突出する摺動ロッドの端部に設けられ、摺動子の上面および下面に２つの電子ブラシがそれぞれ設けられる。ポテンショメータにより出力された電圧信号は、調整シャフトの線形変位と線形関係を有し、機械的運動から電気信号への変換を実現することができる。その信頼性は、先行技術のポテンショメータに比べて向上しているが、その構造はより複雑であり、コストもより高く、耐用年数は十分に長いとは言えない。

本発明の目的は、先行技術における上述の欠点を克服することであり、非常に長い耐用年数を有する非接触型リニアポテンショメータを提供することである。このポテンショメータは、小型構造であり、製造が簡易であり、線形運動を回転に変換して、非接触型トンネル型磁気抵抗センサを使用して回転角を検出することができるので、耐用年数を向上させることができる。

上述の目的を達成するために、本発明は、以下の技術的解決策を採用することによって実現される。

本発明は、非接触型リニアポテンショメータを提供する。非接触型リニアポテンショメータは、摺動子と、回転シャフトと、トンネル型磁気抵抗センサと、永久磁石と、支持構造体とを備え、前記摺動子には、第１の貫通孔が設けられ、前記回転シャフトは、前記第１の貫通孔を貫通し、前記回転シャフトの両端は、前記支持構造体に回転可能に取り付けられ、
前記摺動子は、前記回転シャフトの軸方向に沿って摺動し、前記摺動子の摺動が前記回転シャフトを回転駆動させ、
前記永久磁石は、前記回転シャフトの一端に配置され、前記回転シャフトと共に回転し、
前記トンネル型磁気抵抗センサは、前記永久磁石に隣接して配置され、前記永久磁石によって生成された磁場を検出して、前記検出磁場を出力用の電圧信号に変換するのに使用される。

好ましくは、前記非接触型リニアポテンショメータは、ガイドロッドをさらに備え、前記摺動子には、第２の貫通孔がさらに設けられ、前記ガイドロッドは、前記第２の貫通孔を貫通し、前記回転シャフトと平行であり、前記ガイドロッドの両端は、前記支持構造体に固定される。

好ましくは、前記トンネル型磁気抵抗センサは、２軸回転磁気センサもしくは２つの直交する１軸回転磁気センサである。

好ましくは、前記永久磁石は、円盤状、環状、もしくは正方形である。

好ましくは、前記トンネル型磁気抵抗センサは、２軸線形磁気センサである。

好ましくは、前記永久磁石は、円盤状もしくは環状である。

好ましくは、前記トンネル型磁気抵抗センサの中心軸と前記永久磁石および前記回転シャフトの中心軸は同一である。

好ましくは、前記永久磁石の内部磁化方向は、前記回転シャフトの軸方向に垂直である。

好ましくは、前記非接触型リニアポテンショメータは、前記摺動子と前記回転シャフトとの間に配置される玉軸受をさらに備える。

好ましくは、前記玉軸受の動きに耐えるのに使用されるピンが、前記摺動子と前記回転シャフトとの間で組み合わされ、前記ピンは、前記回転シャフトと前記ガイドロッドとによって形成される面に平行および前記回転シャフトの軸方向に垂直な方向に沿って摺動することができる。

好ましくは、スプリングリーフが、前記摺動子と前記ピンとの間で組み合わされる。

好ましくは、前記回転シャフトは、前記玉軸受が転がる螺旋状溝を備える。

好ましくは、前記送りねじ上の螺旋状ねじ山は、ねじ転造プレートを使用して転造され、電気めっき加工もしくは熱処理加工を採用することによって前記送りねじの所望の表面硬さが得られる。

好ましくは、前記非接触型リニアポテンショメータの底部には、配線ピンを備えたプリント基板が配設され、前記トンネル型磁気抵抗センサは、前記プリント基板上にはんだ付けされる。

好ましくは、前記回転シャフトは、送りねじもしくはトーションロッドである。

ねじロッドの原理は、逆方向に利用可能であり、摺動子は、線形運動を円運動に変換するために回転シャフトを回転駆動させるための電源として使用される。玉軸受、ピン、およびスプリングリーフは、摺動子と回転シャフトとの間で組み合わせられる。さらに、ガイドロッドが、摺動子の摺動案内するために使用される。玉軸受は、摺動摩擦を転がり摩擦に変換する役割を果たし、そのことにより摩擦力が最小限に抑えられる。スプリングリーフおよび摺動ピンは、製造誤差および組立により生じる隙間をなくすために使用され、そのことにより前方および後方の移動の精度が保証される。

先行技術と比較して、本発明は、以下の有益な効果を有する。

（１）本発明の構造は単純で、製造が容易であり、低コストである。

（２）本発明では、線形摺動変位は回転角変位に変換され、回転シャフトの回転角はトンネル型磁気抵抗センサによって検知されるので、線形性が向上し、さらに電力消費量も低減される。

（３）本発明のトンネル型磁気抵抗センサは、回転シャフトと接触せずに測定を行うことができるため、耐用年数が長くなる。

（４）本発明では、摺動子は回転シャフトおよびガイドロッドに沿って摺動するように手動で操作するだけで十分であるので、操作は単純であり、実現しやすい。

本発明の実施形態の技術的解決策をより明確に示すために、実施形態の説明に使用される必要のある図面について、簡単に後述する。明らかに、以下に説明される図面は、本発明のいくつかの実施形態を示したものに過ぎない。当業者は、創造的な作業を経なくてもこれらの図面に基づいて他の図面を考え出すことができるであろう。

本発明の非接触型リニアポテンショメータの外部構造の概略図である。

本発明の非接触型リニアポテンショメータの内部構造の概略図である。

トンネル型磁気抵抗センサと永久磁石との位置関係を示した概略断面図である。

本発明の非接触型リニアポテンショメータの出力電圧と永久磁石の回転角との関係を示した曲線グラフである。

本発明の非接触型リニアポテンショメータの部分断面図である。

送りねじに代わるトーションロッドの構造概略図である。

以下に、実施形態と組み合わせて図面を参照しながら本発明について詳細に説明する。

実施形態

図１は、本発明の非接触型リニアポテンショメータの外部構造の概略図である。図２は、ハウジング１３を取り外した後のポテンショメータの内部構造の概略図である。ポテンショメータは、回転可能な回転シャフト１と、摺動子２と、固定ガイドロッド３と、支持構造体４、５と、トンネル型磁気抵抗（ＴＭＲ）センサ９と、永久磁石１０と、プリント基板１２とを備える。本発明の具体的な実施形態では、回転シャフト１には、摺動子の摺動を回転シャフトの回転に変換することができる螺旋状突起もしくは螺旋状溝が設けられる。この実施形態では、回転シャフト１は送りねじである。送りねじ１は、摺動子２内の対応する第１の貫通孔を貫通し、送りねじ１の両端は、支持構造体４、５に回転可能に取り付けられ、ガイドロッド３の一端は、支持構造体４に固定され、ガイドロッド３の他端は、摺動子２内の対応する第２の貫通孔を貫通して支持構造体５に固定される。この実施形態では、ガイドロッド３は、送りねじ１と平行に配置される。摺動子２上のハンドル１１を動かすことによって、摺動子２は送りねじ１およびガイドロッド３の軸方向（すなわち、図３のＺ軸方向）に沿って摺動され、そのことにより、送りねじ１を回転駆動させる。永久磁石１０は、送りねじ１の一端に配置され、送りねじ１と共に回転する。トンネル型磁気抵抗センサ９は、図２に示されるように、永久磁石１０に隣接して配置され、プリント基板（ＰＣＢ）１２上にはんだ付けされ、プリント基板１２は、ポテンショメータの底部に配置され、配線ピン（図示せず）を備える。トンネル型磁気抵抗センサ９は、２軸回転磁気センサもしくは２つの直交する１軸回転磁気センサとすることができ、この場合、永久磁石１０は、円盤状、環状、もしくは正方形とすることができ、トンネル型磁気抵抗センサ９の中心軸と永久磁石１０および送りねじ１の中心軸は同一である。さらに、トンネル型磁気抵抗センサ９は、２軸線形磁気センサとすることも可能であり、この場合、永久磁石１０は、円盤状もしくは環状であり、トンネル型磁気抵抗センサ９は、永久磁石１０の周囲に配置され、好ましくは、永久磁石１０と同軸に配置される。永久磁石１０の内部磁化方向は、図３においてＮ極とＳ極で表され、図３から磁化方向はＺ軸方向１００に垂直であることがわかる。

上記ガイドロッド３は、好適な形態であり、摺動子２を摺動案内するのに使用される。

永久磁石１０が送りねじ１と共に回転方向１０１に沿って回転した時に、回転角に伴ってトンネル型磁気抵抗センサ９によって検出されるＸ軸およびＹ軸の磁場成分が変化する変化曲線は図４の曲線４１、４２で示されている。トンネル型磁気抵抗センサ９は、永久磁石１０によって生成された磁場の振幅をアナログ電圧信号に変換し、得られたアナログ電圧信号は、直接出力されてよく、またアナログ・デジタル・コンバータ（ＡＤＣ）回路を使用してデジタル信号に変換された後に出力されてもよい。永久磁石１０の回転角、すなわち、送りねじ１の回転角は、出力信号によって確認することができる。

玉軸受６、ピン７、およびスプリングリーフ８は、図５に示されているように、摺動子２と送りねじ１との間で組み合わせられる。玉軸受６は、送りねじ１上の螺旋状溝に沿って転がり、摺動摩擦を転がり摩擦に変換して、摩擦力を最小限に抑える役割を果たし、そのことにより耐用年数を延ばすことができる。ピン７は、玉軸受６の動きに耐えるのに使用され、回転シャフトとガイドロッドとによって形成される面に平行および回転シャフトの軸方向に垂直な方向（すなわち、Ｘ軸方向）に沿って摺動することができ、スプリングリーフ８およびピン７は、製造誤差および組立によって生じる隙間をなくすのに使用され、そのことにより前方および後方の移動の精度が保証される。上記のＸ軸方向とは、回転シャフトとガイドロッドとによって形成される面に平行および回転シャフトの軸方向に垂直な方向である。

送りねじ１は、ねじ転造加工を採用することによって改良され、移動案内に必要な螺旋状ねじ山は、ねじ転造プレートを使用して転造され、摺動子２は、螺旋状ねじ山に沿って摺動することができる。耐用年数を延ばすために、一般的な電気めっき加工もしくは熱処理加工を採用することによって所望の表面硬さが得られ、そのことにより摩耗を低減し、耐用年数を延ばすことができる。さらに、送りねじ１は、トーションロッドで代替されてもよく、その構造は、図６に示されている。トーションロッドを製造するための材料は、比較的安価であり、製造プロセスもより単純であり、コストも低減される。他の部品は全て、一般的な製造プロセスを採用して製造され、実現しやすい。

上述の実施形態は、本発明の好適な実施形態に過ぎず、本発明を制限するものではない。当業者は、本発明に対して種々の変更および変形を加えてもよい。本発明の精神および原理の範囲内にある任意の修正、同等の置換、改良なども本発明の保護範囲に含まれるものとする。

Claims (15)

1. 非接触型リニアポテンショメータであって、摺動子と、回転シャフトと、トンネル型磁気抵抗センサと、永久磁石と、支持構造体とを備え、前記摺動子には、第１の貫通孔が設けられ、前記回転シャフトは、前記第１の貫通孔を貫通し、前記回転シャフトの両端は、前記支持構造体に回転可能に取り付けられ、
   前記摺動子は、前記回転シャフトの軸方向に沿って摺動し、前記摺動子の摺動が前記回転シャフトを回転駆動させ、
   前記永久磁石は、前記回転シャフトの一端に配置され、前記回転シャフトと共に回転し、
   前記トンネル型磁気抵抗センサは、前記永久磁石に隣接して配置され、前記永久磁石によって生成された磁場を検出して、前記検出磁場を出力用の電圧信号に変換するのに使用される
   ことを特徴とする、非接触型リニアポテンショメータ。
2. 前記非接触型リニアポテンショメータは、ガイドロッドをさらに備え、前記摺動子には、第２の貫通孔がさらに設けられ、前記ガイドロッドは、前記第２の貫通孔を貫通し、前記回転シャフトと平行であり、前記ガイドロッドの両端は、前記支持構造体に固定されることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
3. 前記トンネル型磁気抵抗センサは、２軸回転磁気センサもしくは２つの直交する１軸回転磁気センサであることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
4. 前記永久磁石は、円盤状、環状、もしくは正方形であることを特徴とする、請求項３に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
5. 前記トンネル型磁気抵抗センサは、２軸線形磁気センサであることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
6. 前記永久磁石は、円盤状もしくは環状であることを特徴とする、請求項５に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
7. 前記トンネル型磁気抵抗センサの中心軸と前記永久磁石および前記回転シャフトの中心軸は同一であることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
8. 前記永久磁石の内部磁化方向は、前記回転シャフトの軸方向に垂直であることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
9. 前記摺動子と前記回転シャフトとの間に配置される玉軸受をさらに備えることを特徴とする、請求項２に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
10. 前記玉軸受の動きに耐えるのに使用されるピンが、前記摺動子と前記回転シャフトとの間で組み合わされ、前記ピンは、前記回転シャフトと前記ガイドロッドとによって形成される面に平行および前記回転シャフトの軸方向に垂直な方向に沿って摺動することができることを特徴とする、請求項９に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
11. スプリングリーフが、前記摺動子と前記ピンとの間で組み合わされることを特徴とする、請求項１０に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
12. 前記回転シャフトは、前記玉軸受が転がる螺旋状溝を備えることを特徴とする、請求項９に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
13. 前記非接触型リニアポテンショメータの底部には、配線ピンを備えたプリント基板が配設され、前記トンネル型磁気抵抗センサは、前記プリント基板上にはんだ付けされることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
14. 前記回転シャフトは、送りねじもしくはトーションロッドであることを特徴とする、請求項１に記載の非接触型リニアポテンショメータ。
15. 前記送りねじ上の螺旋状ねじ山は、ねじ転造プレートを使用して転造され、電気めっき加工もしくは熱処理加工を採用することによって前記送りねじの所望の表面硬さが得られることを特徴とする、請求項１４に記載の非接触型リニアポテンショメータ。