JP2023005340A - ストロークセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 構造を簡素化してコストを低減したストロークセンサを提供する。【解決手段】 被検出体に追従して原点位置Ｏから移動する検出シャフト１０の移動量を検出するとともに検出シャフト１０が磁性材料により形成されたストロークセンサ１において、原点位置Ｏから移動した後の検出シャフト１０を原点位置Ｏに復帰させるスプリング４０と、不動状態となるように配設されるとともに検出シャフト１０（径小部１３）に設けられたヨーク部分１７の移動に伴って磁界を変化させる磁石５１と、ヨーク部分１７の移動に伴う磁界の変化から検出シャフト１０の移動量Ｓを検出する磁気検出素子５２とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ストロークセンサに関する。

磁性体の直線運動を検出する変位センサとして、例えば特許文献１に開示されたものがある。この特許文献１に記載の変位センサは、ボビン外周に巻き線された多数の分割コイルで構成され、可動体の変位量を電気量に変換して差動的に検出していた。

特開平５ー２６６０２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の構成は、一方向の直線運動を検出するストロークセンサに適用するにはコストが嵩むという問題があった。
そこで本発明は、前述の課題に対して対処するため、構造を簡素化し低コスト化を実現することが可能なストロークセンサを提供することを目的とする。

本発明は、被検出体に追従して原点位置から移動する検出シャフトの移動量を検出するとともに前記検出シャフトが磁性材料により形成されたストロークセンサにおいて、前記原点位置から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スプリングと、不動状態となるように配設されるとともに前記検出シャフトに設けられたヨーク部分の移動に伴って磁界を変化させる磁石と、前記ヨーク部分の移動に伴う磁界の変化から前記検出シャフトの前記移動量を検出する磁気検出素子とを備えることを特徴とする。

また本発明は、前記検出シャフトは、径大部と、前記径大部よりも径小となる径小部とを有し、前記径小部に前記ヨーク部分が設けられていることを特徴とする。

また本発明は、前記ヨーク部分は、前記径小部の外周面に設けられた窪み部または突出部により構成されることを特徴とする。

また本発明は、前記磁気検出素子は、前記検出シャフトと前記磁石との間に配置されることを特徴とする。

また本発明は、前記径小部を支持するハウジングを備え、前記磁石及び前記磁気検出素子は、前記ハウジングに設けられた収納部に重なり合うように配設されることを特徴とする。

また本発明は、前記スプリングは、前記径大部と前記ヨーク部分との間に位置する前記径小部の周囲に装着されることを特徴とする。

また本発明は、前記磁石及び前記磁気検出素子は、その一部が基板に設けられた貫通孔部に位置した状態で、前記収納部に重なり合うように配設されることを特徴とする。

本発明によれば、所期の目的を達成でき、構造を簡素化し低コスト化を実現することが可能なストロークセンサを提供できる。

本実施形態によるストロークセンサの断面図。 同実施形態による検出シャフトの断面図。 同実施形態による第一のハウジングの断面図。 同実施形態による第二のハウジングの断面図。 同実施形態の変形例によるストロークセンサの断面図。 同実施形態の他の変形例による第一ハウジングの一部と磁石と磁気検出素子と基板とを示す図。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照する。本実施形態によるストロークセンサ１は、被検出体に追従して原点位置Ｏから移動する検出シャフト１０の移動量Ｓを検出するものである。ストロークセンサ１は、磁性材料により形成された検出シャフト１０と、第一のハウジング２０と、第二のハウジング３０と、原点位置Ｏから移動した後の検出シャフト１０を原点位置Ｏに復帰させるスプリング４０と、検出シャフト１０（検出シャフト１０に備えられる後述する窪み部）の移動に伴って磁界を変化させる機能を有する磁石５１と、検出シャフト１０（前記窪み部）の移動に伴う磁界の変化から検出シャフト１０の移動量Ｓを検出する機能を有する磁気検出素子５２とを備える。

図２を併せて参照する。検出シャフト１０は、被検出体の移動によって追従される検出媒体であり、例えば被検出体に連結されて外力が伝達され、軸方向に往復して追従する。検出シャフト１０は、ある程度剛性を有する軟磁性材料が好ましく、例えばフェライト系ステンレス（ＳＵＳ４３０）を適用することができる。

検出シャフト１０は、円柱状の直径の異なる径大部１１、径中部１２並びに径小部１３を有し、本実施形態では、第一のハウジング２０の方向から径小部１３、径大部１１、径中部１２の並びで構成される。また、検出シャフト１０は、径中部１２に気密部材１４が取り付けられる。なお、図１中、１５ａ、１５ｂは、検出シャフト１０に取り付けられた第一、第二の座金であり、これら第一、第二の座金１５ａ、１５ｂは、スプリング４０の両端側に位置する。例えば図１に示すように第一の座金１５ａはスプリング４０の右側に位置し、第二の座金１５ｂはスプリング４０の左側に位置する。

径大部１１は、検出シャフト１０において、最も直径の大きい円板状の部位であり、第二のハウジング３０内に配置され、径小部１３に取り付けられた第二の座金１５ｂを支持する。

径中部１２は、径大部１１より直径の小さい部位である。径中部１２は、第二のハウジング３０の後述するシャフト孔から外側に突き出しており、図示しない被検出体と接続される。

径小部１３は、径大部１１（径中部１２）より直径の小さい部位である。径大部１１よりも径小となる径小部１３には、径大部１１から離れるに従って、第二の座金１５ｂ、スプリング４０、第一の座金１５ａが位置するように組み付けられる。なお、図１中、１６は止め輪であり、この止め輪１６は、非磁性材料からなるラジアル方向取り付け式止め輪であり、径小部１３の略中間部分に設けられた図示しない溝に保持される。止め輪１６は、第一の座金１５ａを支持する。つまり、本例では止め輪１６と径大部１１との間に第一の座金１５ａとスプリング４０と第二の座金１５ｂとが挟持される構成となる。

気密部材１４は、ゴムによって形成されたＯリングを適用することができ、径中部１２に設けられた溝に保持される。気密部材１４は、ストロークセンサ１の気密を保持することを目的として設けられたものであり、前記溝は、気密機能を発揮するために必要な溝構造を満たすように構成される。

第一の座金１５ａは、例えば非磁性材料からなるＯ型のワッシャを適用することができ、その直径は第一のハウジング２０の内径、及びスプリング４０よりも大きく、第一のハウジング２０の後述する円筒部の内径より小さく構成される。

第二の座金１５ｂは、例えば非磁性材料からなるＯ型のワッシャを適用することができ、その直径は径大部１１、第二のハウジング３０の内径、及びスプリング４０よりも大きく、第二のハウジング３０の後述する円筒部分の内径よりも小さく構成される。第一の座金１５ａ、及び第二の座金１５ｂは、検出シャフト１０の移動により、別の部材に接触した際のスラスト荷重に耐えるように設計される。なお、この場合、第一の座金１５ａと第二の座金１５ｂは、大きさが同一のものが用いられている。

また、図１中、径小部１３の右側にはヨーク部分としての窪み部１７が設けられている。窪み部１７は、略凹形状（略円環溝形状）に形成され、図１において、磁石５１及び磁気検出素子５２の直下に対応する径小部１３の外周面に設けられる。換言すれば、窪み部１７（つまり窪み部１７により構成された前記ヨーク部分）は、図１中、磁石５１及び磁気検出素子５２の直下に対応する径小部１３外周面の全周に設けられた例を示している。

図３を併せて参照する。第一のハウジング２０は、止め輪１６を受ける第一の受部２１と、軸支持部２２と、第一の座金支持部２３と、収納部２４と、雌ねじ部２５とを有して構成される。

第一のハウジング２０は、アルミニウムやステンレス鋼などの非磁性材料が好ましく、略円筒状の円筒部２０ａと略平板状の平板部２０ｂによって形成されている。なお、この第一のハウジング２０は、後述する特許請求の範囲のハウジングに相当する。

第一の受部２１は、円筒部２０ａの内側に設けられる円環状の面であり、止め輪１６と接触可能に構成され、検出シャフト１０の移動量Ｓを制限する。検出シャフト１０の移動量Ｓを制限することで、スプリング４０の押し潰される量が小さくなる。これによれば、スプリング４０の負担を軽減し、長寿命化できる。なお、原点位置Ｏから第一の受部２１までの長さは、スプリング４０の最大たわみ量より小さくなるように構成される。

軸支持部２２は、平板部２０ｂの内側に設けられ、検出シャフト１０の径小部１３を支持する溝として形成される。軸支持部２２によって径小部１３が支持されることで、検出シャフト１０の軸方向に沿った検出ストロークＳ分の摺動が良好なものとなる。

第一の座金支持部２３は、円筒部２０ａの内側に設けられる円環状の面であり、第一の座金１５ａの外縁部分を支持する。第一の座金支持部２３は、第一の受部２１の形成位置からスプリング４０側に向かって一段高い位置に形成される。

収納部２４は、平板部２０ｂの外側に設けられる。より具体的には、収納部２４は、軸支持部２２から屹立するように設けられる。そして、収納部２４の内部には、磁石５１、磁気検出素子５２、及び磁石５１の一部である後述する磁石端部が貫通する貫通孔部５３ａを有する基板５３とが収納される。

雌ねじ部２５は、円筒部２０ａの薄肉円筒部２６の外周面に備えられ、第一のハウジング２０と第二のハウジング３０を連結するために用いられる。

図４を併せて参照する。第二のハウジング３０は、検出シャフト１０の径大部１１を収容する空所としての孔部３１と、シャフト孔３２と、第二の座金支持部３３と、雄ねじ部３４を有して構成される。

第二のハウジング３０は、アルミニウムやステンレス鋼などの非磁性材料が好ましく、略円筒状に形成されている。

孔部３１は、第二のハウジング３０の内側に設けられる円環状の溝部であり、その開口幅はシャフト孔３２の開口幅よりも大きい。また、孔部３１には、シャフト孔３２との境界部分に、径大部１１を受ける円環状の面からなる第二の受部３５が形成される。第二の受部３５は、径大部１１を受け、検出シャフト１０の移動量Ｓを制限する。検出シャフト１０の移動量Ｓを制限することで、スプリング４０の押し潰される量が小さくなる。これによれば、スプリング４０の負担を軽減し、長寿命化できる。原点位置Ｏから第二の受部３５までの長さは、スプリング４０の最大たわみ量より小さくなるように構成される。

シャフト孔３２は、孔部３１に連なるように設けられ、検出シャフト１０を摺動可能に支持して外部に取り出す。

第二の座金支持部３３は、孔部３１の外側周囲に設けられる円環状の面であり、第二の座金１５ｂの外縁部分を支持する。

雄ねじ部３４は、シャフト孔３２と相対する方向となる第二のハウジング３０の薄肉円筒部分３０ａの内周面に備えられ、第一のハウジング２０と第二のハウジング３０を連結するために用いられる。前記連結に際しては、必要に応じて補強用接着剤（例えば、シーロック剤）などでねじの緩み防止を行ってもよい。

スプリング４０は、ステンレス鋼などの非磁性材料のものが好ましく、例えばＳＵＳ３０４ＷＰＢによる円筒状のコイルばねで構成される。

スプリング４０は、内側に検出シャフト１０の径小部１３を通すように構成され、その両端側において、第一の座金１５ａ、及び第二の座金１５ｂと接している。つまり、スプリング４０は、窪み部１７（第一の座金１５ａ）と径大部１１（第二の座金１５ｂ）との間に位置する径小部１３の周囲に装着される

スプリング４０は、原点位置Ｏにある検出シャフト１０が第一のハウジング２０の方向に押し込まれるように移動すると、径大部１１に支持された第二の座金１５ｂがスプリング４０を押し、且つ、第一の座金支持部２３に支持された第一の座金１５ａがスプリング４０を支持することで、スプリング４０が押し潰され、止め輪１６が第一のハウジング２０の第一の受部２１に当たるまでの移動量Ｓ分だけ移動することができる。そして、検出シャフト１０を押し込む力がなくなると、スプリング４０に蓄積されたばね力で、原点位置Ｏに戻される。

また、スプリング４０は、原点位置Ｏにある検出シャフト１０が第二のハウジング３０の方向に引き込まれるように移動すると、止め輪１６に支持された第一の座金１５ａがスプリング４０を押し、且つ、第二の座金支持部３３に支持された第二の座金１５ｂがスプリング４０を支持することで、スプリング４０が押し潰され、止め輪１６によって支持された第一の座金１８ａが第二のハウジング３０の第二の受部３５に当たるまでの移動量Ｓ分だけ移動することができる。そして、検出シャフト１０を引き込む力がなくなると、スプリング４０に蓄積されたばね力で、原点位置Ｏに戻される。

図３に示す磁石５１は、例えば角柱状に形成された希土類系磁石（例えばＳｍＣｏやＮｄＦｅＢなどの材料の磁石）を適用することができ、磁気検出素子５２に磁界を提供する。磁石５１は、軟磁性材料からなる径小部１３（検出シャフト１０）に設けられた窪み部１７の移動に伴って磁界を変化させる。

また、磁石５１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何れでもよい。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の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よい。

磁気検出素子５２は、被検出体の位置や移動量などの変化を磁界の向き及び強さにより検出するためのものであり、例えばホール素子などで構成される。磁気検出素子５２は、検出シャフト１０と磁石５１との間に配置される。例えば磁気検出素子５２は接着剤などの適宜固定手段を用いて磁石５１と接合している。つまり、ここでの磁石５１及び磁気検出素子５２は、第一ハウジング２０に設けられた収納部２４に重なり合うように不動状態で配設されることになる。

磁気検出素子５２は、軟磁性材料からなる窪み部１７の移動に伴う磁界の変化から検出シャフト１０の移動量Ｓを検出する。すなわち、磁気検出素子５２は、軟磁性体である検出シャフト１０が移動することで、磁石５１が磁気検出素子５２へ与える磁界の向き及び強さを変え、その結果を移動量Ｓとして検出する。これにより、ストロークセンサ１は、構造を簡素化し簡易な方法で検出シャフト１０の移動を検出することができる。

基板５３は、ガラスエポキシなどからなるプリント基板を適用することができ、図１中、基板５３の略中央部分には貫通孔部５３ａが開口形成される。そして、この場合、磁石５１及び磁気検出素子５２は、磁石５１の一部（例えば磁石５１の磁気検出素子５２側に位置する磁石端部５１ａ）が貫通孔部５３ａの内部に位置した状態で、収納部２４に重なり合うように配設される。また、この際、磁気検出素子５２は、その両側にある２つのリード線５４により検出シャフト１０側に位置する基板５３の一方の面Ｐ１に導通接続される。

また、基板５３の磁気検出素子５２への電源の取り込みや外部への電気信号の出力は、基板５３に接続される図示しない電気コードにて行われる。なお、基板５３の磁気検出素子５２への電源の取り込みや外部への電気信号の出力は、電気コードの代わりにダイレクトコネクタやカプラーなどを用いてもよい。

封止部材６０は、例えばエポキシ樹脂などが用いられる。封止部材６０は、収納部２４に注入され硬化することで、磁石５１、磁気検出素子５２、及び基板５３を気密に封止する。

以上のように本実施形態では、原点位置Ｏから移動した後の検出シャフト１０を原点位置Ｏに復帰させるスプリング４０と、不動状態となるように配設されるとともに径小部１３（検出シャフト１０）に設けられたヨーク部分１７の移動に伴って磁界を変化させる磁石５１と、ヨーク部分１７の移動に伴う磁界の変化から検出シャフト１０の移動量Ｓを検出する磁気検出素子５２とを備えるものである。従って、従来のように多数のコイルをボビン外周に巻く複雑な構成ではなく、単一の磁石と単一の磁気検出素子とを用いた簡素な構成で、可動体（検出シャフト）の変位量を検知することが可能となる。よって、本発明によれば、構造を簡素化し低コスト化を実現することが可能なストロークセンサを提供することができる。

また本実施形態では、ヨーク部分として窪み部１７が、径小部１３の外周面に設けられることにより、窪み部１７を通る磁束が集中することで、前記磁界の変化が大きくなり、検出精度を高めることができるという利点がある。

本発明は、以上の実施形態及び図面によって限定されるものではない。本発明の要旨を変更しない範囲で、適宜、変更（構成要素の削除も含む）を加えることが可能である。

例えば上述の実施形態では、第一のハウジング２０及び第二のハウジング３０がともに非磁性材料で形成されるものであったが、第一のハウジング２０と第二のハウジング３０とのうち少なくとも一方を樹脂材料により形成してもよい。

また、上述した実施形態では、径小部１３に設けられた窪み部１７をヨーク部分としたものであったが、本実施形態の変形例として図６に示すように窪み部１７に代えてヨーク部分として機能する突出部１８を径小部１３に設ける構成としてもよい。この場合、径小部１３はその主要部を構成する第一径小部１３ａと、磁石５１及び磁気検出素子５２に対応する位置に設けられる第二径小部１３ｂとで構成され、第二径小部１３ｂの直径は第一径小部１３ａの直径よりも若干、小さめに形成される。なお、第二径小部１３ｂは後述する特許請求の範囲の径小部に相当する。

突出部１８は、第二径小部１３ｂの外側に隆起した凸形状（環状凸部）によって形成され、磁石５１及び磁気検出素子５２の直下に対応する第二径小部１３ｂの外周面に設けられる。なお、図６では、突出部１８が、図６中、磁石５１及び磁気検出素子５２の直下に対応する第二径小部１３ｂ外周面の全周に設けられた例を示している。このようにヨーク部分として突出部１８が第二径小部１３ｂの外周面に設けられることにより、上述した実施形態と同様に低コスト化を実現することが可能となり、また突出部１８を通る磁束が集中することで、前記磁界の変化が大きくなり、検出精度を高めることができるという利点がある。また、窪み部１７の形状は、凹形状に限らずＶ字形状やＵ字形状などの任意の形状を適用可能であり、同様に突出部１８の形状は、凸形状に限らず半球形状などの任意の形状を適用可能である。

さらに、上述した実施形態では、磁石５１及び磁気検出素子５２は、磁石端部５１ａが貫通孔部５３ａの内部に位置した状態で、収納部２４に重なり合うように配設されるものであったが、本実施形態の他の変形例として図７に示すように磁石５１及び磁気検出素子５２は、磁気検出素子５２が貫通孔部５３ａの内部に位置した状態で、収納部２４に重なり合うように配設される構成としてもよい。なお、この場合、磁気検出素子５２は、その両側にある２つのリード線５４により一方の面Ｐ１とは反対側に位置する基板５３の他方の面Ｐ２に導通接続されることになる。

なお、以上の説明では、本発明の理解を容易にするために、公知の技術的事項の説明を適宜省略した。

１ ストロークセンサ
１０ 検出シャフト
１１ 径大部
１２ 径中部
１３ 径小部
１３ａ 第一径小部
１３ｂ 第二径小部（径小部）
１４ 気密部材
１５ａ 第一の座金
１５ｂ 第二の座金
１６ 止め輪
１７ 窪み部（ヨーク部分）
１８ 突出部（ヨーク部分）
２０ 第一のハウジング（ハウジング）
２１ 第一の受部
２２ 軸支持部
２４ 収容部
３０ 第二のハウジング
３１ 孔部
３５ 第二の受部
４０ スプリング
５１ 磁石
５２ 磁気検出素子
５３ 基板
５３ａ 貫通孔部
６０ 封止部材
Ｏ 原点位置
Ｓ 移動量

Claims (7)

1. 被検出体に追従して原点位置から移動する検出シャフトの移動量を検出するとともに前記検出シャフトが磁性材料により形成されたストロークセンサにおいて、
   前記原点位置から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スプリングと、
   不動状態となるように配設されるとともに前記検出シャフトに設けられたヨーク部分の移動に伴って磁界を変化させる磁石と、
   前記ヨーク部分の移動に伴う磁界の変化から前記検出シャフトの前記移動量を検出する磁気検出素子とを備えることを特徴とするストロークセンサ。
2. 前記検出シャフトは、径大部と、前記径大部よりも径小となる径小部とを有し、
   前記径小部に前記ヨーク部分が設けられていることを特徴とする請求項１記載のストロークセンサ。
3. 前記ヨーク部分は、前記径小部の外周面に設けられた窪み部または突出部により構成されることを特徴とする請求項２記載のストロークセンサ。
4. 前記磁気検出素子は、前記検出シャフトと前記磁石との間に配置されることを特徴とする請求項１から請求項３のうち何れか１つに記載のストロークセンサ。
5. 前記径小部を支持するハウジングを備え、
   前記磁石及び前記磁気検出素子は、前記ハウジングに設けられた収納部に重なり合うように配設されることを特徴とする請求項２から請求項４のうち何れか１つに記載のストロークセンサ。
6. 前記スプリングは、前記径大部と前記ヨーク部分との間に位置する前記径小部の周囲に装着されることを特徴とする請求項２から請求項５のうち何れか１つに記載のストロークセンサ。
7. 前記磁石及び前記磁気検出素子は、前記磁石の一部または前記磁気検出素子が基板に設けられた貫通孔部に位置した状態で、前記収納部に重なり合うように配設されることを特徴とする請求項５記載のストロークセンサ。

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