JP3942801B2 - 回転角検出センサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、部材間の相対回転角度を検出する回転角検出センサに関し、特に建設機械や産業機械等に使用されて、回転軸に荷重が負荷された状態で回転角度を検出可能な回転角検出センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種の回転軸や揺動軸の回転角度を測定する装置として、角度ポテンショメータが使用されている。角度ポテンショメータは、回転軸によって移動するブラシと、それに接する電気抵抗体とで構成され、ブラシの回転位置によって変わる抵抗値を電圧値として取り出すことにより角度検出が行われる。
従来の一般的な角度ポテンショメータは、いずれも回転軸のハウジングに対する支持に、含油メタル、あるいは小さな転がり軸受が使用されており、回転軸に荷重を負荷することができない。回転軸に軸方向やラジアル方向の大きな荷重が負荷されると、検出値に大きな誤差が生じる。
【０００３】
このような課題を解消する回転角検出センサとして、図４に示すものが提案されている。これは、回転軸５２に大径部５２ａを設け、大径部５２ａを軸受５３でハウジング５１に支持させたものである。ハウジング５１は、回転軸５２の大径部５２ａおよび軸受５３が収容できるようにキャップ状に形成し、その開口部を蓋５４で閉じる。蓋５４は、ボルト５８でハウジング５１に取付ける。回転角検出手段５５を構成する抵抗体およびブラシ等からなる第１，第２の回転角検出部５６，５７は、蓋５４の内面および回転軸５２の端面に設ける。軸受５３は２つ並べて設け、その内輪間に回転軸５２の外周のフランジ５２ｂを、外輪間に間座５９を介在させている。
この構成によると、軸受５３を定位置予圧し、また回転軸５２に大径部５２ａを設けて軸受５３を大径のものとしたため、回転軸５２の支持剛性が向上し、回転軸５２に荷重が作用した状態であっても、誤差を生じることなく回転角度の検出が行える。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ハウジング５１と、ポテンショメータ基板等の回転角検出部５６を備えた蓋５４とが別体であるため、ハウジング５１と蓋５４との取付誤差、例えばボルト５８とボルト孔の遊びによる取付誤差により、ハウジング５１に対する回転角検出出力の基準位置にばらつきが生じる。すなわち、回転角検出手段５５を抵抗体およびブラシによるポテンショメータ形式とした場合、ハウジング５１に対する電気的中立位置は、ハウジング５１と蓋５４との取付誤差によりばらつきが生じる。しかも、蓋５４を設ける場合、この蓋５４の他に、その取付用のボルト５８や、取付面シール用のＯリング６０等が必要で、部品点数も多くなる。
また、軸受５３を定位置予圧で組込むには、２つの軸受５３，５３間の間座５９またはフランジ６０の厚さを軸受寸法に合わせて製作しなくてはならず、加工精度が要求されるために高価となる。
【０００５】
この発明の目的は、ハウジングに対する回転角検出出力の基準位置のばらつきを比較的小さく抑えることができ、部品点数が削減でき、また回転軸に作用する荷重も支持できる回転角検出センサを提供することである。
この発明の他の目的は、軸受予圧の適切な付与に厳しい加工精度が要求されず、加工が簡単で安価に製作できるものとすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明の回転角検出センサは、対面する第１，第２の回転角検出部の間の回転角度を検出する回転角検出手段を備えた回転角検出センサにおいて、ハウジングをカップ状とし、第１の回転角検出部を上記ハウジング内の底部に設け、第２の回転角検出部を回転軸の一端に設け、この回転軸を、上記ハウジング内に予圧の与えられた軸受で支持し、上記回転軸の一部をハウジングの開口部からハウジング外に突出させ、上記軸受を軸方向に２個並べて設け、両軸受の内輪幅面間に介在する鍔部を上記回転軸に設け、ハウジング開口側の軸受の外輪をハウジングに止める止め輪を設け、ハウジングの底面とこの底面に隣接する軸受の外輪との間に、軸受に所定の予圧を与えるばね部材を介在させ、上記ハウジングの底面は、中央部が深く外周が浅い２段の段付き面とされ、第１の回転角検出部は、その深くなった底面部に取付けられ、ばね部材は、浅い底面部に配置されているものである。この構成によると、回転軸のハウジングに対する回転角度が、これらハウジングおよび回転軸に設けられた第１，第２の回転角検出部間の回転角度として検出される。ハウジングはカップ状とし、その底部に第１の回転角検出部を直接に設けたので、ハウジングに蓋を設けてその蓋に回転角検出部を設けるものと異なり、取付誤差による回転検出出力のばらつきがない。また、ハウジングを一体物としたため、蓋が必要でなくなるのに加えて、従来ハウジングと蓋を取付けるのに必要であったボルトやその接触面のシール部材等が不要となり、構成部品数が削減できる。軸受は、予圧を与えるため、回転軸のがたつきがなく、荷重の負荷状態でも、精度良く回転角を検出することができる。また軸受を２つ並べて設け、ばね部材を介在させることで、定圧予圧が簡単に行える。このようにばね部材を設け、定圧予圧とした場合、定位置予圧の場合のような厳しい寸法精度を必要とせずに、適正な予圧を与えることができる。そのため、ハウジング、軸フランジ、あるいは間座等を高精度に加工する必要がなく、加工が簡単で安価に製作できる。
【０００８】
この発明において、上記回転軸は、軸受で支持される部分がハウジング外に突出した部分よりも大径の大径部となる段付き軸であっても良い。
このように回転軸の軸受による支持部分を大径部とした場合、軸受に大きなサイズのものが使用できる。そのため、回転軸に負荷される荷重が大きくても、軸受でその荷重を支持することができ、大きな荷重の負荷状態でも精度の良い回転角検出が行える。
【０００９】
この発明において、ハウジングの開口部の内径面と回転軸の外径面の間の隙間を塞ぐシールを設けても良い。
【００１０】
この発明において、上記回転角検出手段は、第１，第２の回転角検出部のいずれか一方が電気抵抗体を有し、他方が上記電気抵抗体に摺接するブラシを有するものであっても良い。すなわち、回転角検出手段はポテンショメータとなる。
ポテンショメータ形式とした場合、回転検出出力の基準位置は電気的中立点位置と考えられる。ハウジングに対する電気的中立点位置に関しては、この発明のような一体物のハウジングに回転角検出部を設けたものは、ハウジングと別体の蓋等に回転角検出部を設けたものに比べて、各部材間でのばらつきが小さい。ポテンショメータ形式の回転角検出手段は、構成が簡単であるが、抵抗体とブラシ間の押し付け力が変動すると、回転角の検出値に誤差が生じる。しかし、この発明では上記のように軸受に予圧を与えるため、回転軸に荷重が負荷されても、ブラシの押し付け力が安定し、精度の良い回転角検出が行える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
この発明の一実施形態を図１ないし図３と共に説明する。この回転角検出センサは、ハウジング１をカップ状とし、回転角検出手段３を構成する第１の回転角検出部３Ａをハウジング１内の底部１ａに設け、第２の回転角検出部３Ｂを回転軸２の一端に設けたものである。回転軸２は、ハウジング１内に設置された軸受４で支持し、回転軸２の一部２ｂをハウジング１の開口部１ｂからハウジング外に突出させる。ハウジング１は、底付き円筒状のカップ状に形成され、底部外周の複数箇所に、取付片１ｃが突出している。取付片１ｃは取付孔５が設けられている。
【００１２】
回転軸２は段付き軸とされ、軸受４で支持される部分がハウジング１外に突出した部分２ｂよりも大径の大径部２ａとなっている。軸受４は、軸方向に２個並べて設けられる。軸受４は、深溝玉軸受等の転がり軸受であり、シール付きのもの等が用いられる。各軸受４の内輪４ａは回転軸２の外径面に嵌合し、外輪４ｂの外径面はハウジング１の円筒状の内周面に嵌合する。ハウジング１の底面と、この底面に隣接する軸受４の外輪４ｂとの間には、ウェーブワッシャ等のばね部材６を介在させ、ハウジング開口側の軸受４の外輪４ｂに係合する止め輪７を設けることで、２個の軸受４，４をハウジング１に止め付けている。止め輪７は、ハウジング１の内径面に設けられた止め輪溝に嵌合される。回転軸２には、両軸受４，４の内輪幅面間に介在する鍔部２ｄが、大径部２ａの外周に設けられている。このように、ばね部材６を設け、両軸受４，４間に介在する鍔部２ｄを回転軸２に設けることにより、軸受４，４を予圧状態として回転軸２を支持している。 ハウジング１の開口部１ｂの内径面と回転軸２の間の隙間は、シール８で塞がれている。シール８は、オイルシール等からなり、ハウジング１の内径面に嵌着されてそのリップ部が回転軸２の外径面に接触する。
【００１３】
回転角検出手段３は、ポテンショメータ形式のものである。第１の回転角検出部３Ａは、基板に電気抵抗体を設けたものであり、ハウジング１の底面に取付けられている。ハウジング１の底面は、中央側が深く外周が浅い２段の段付き面とされ、第１の回転角検出部３Ａは、その深くなった底面部に取付けられている。予圧用のばね部材６は、浅い底面部に配置されている。第１の回転角検出部３Ａの基板はハウジング１の底面から突出させた位置決めピン１１でハウジング１に対して位置決めされている。ハウジング１の底壁には、導線引出し孔１２が中央に設けられ、第１の回転角検出部３Ａに設けられた電気抵抗体等に接続された複数本の導線１３が導線引出し孔１２から引き出されている。導線１３は、ハウジング１の外底面に設けられた浅い凹部１ｅ内に配置して側方に引出し、凹部１ｅ内で複数本まとめて導線止め具１４によりハウジング１に止め付けてある。第２の回転角検出部３Ｂは、第１の回転角検出部３Ａに摺接するブラシを基板に設けたものであり、回転軸２の端面に基板部分で止めねじ等により固定されている。
【００１４】
図３は、回転角検出手段３をポテンショメータ形式とした場合の構成例、およびその配線例を示す。第１の回転角検出部３Ａは、円周方向の一部が欠けたリング状の電気抵抗体１５と、リング状の電気接片１６とを同心に設けたものとされている。電気抵抗体１５は、例えば導電性樹脂からなる。第２の回転角検出部３Ｂのブラシ１７は、電気抵抗体１５と電気接片１６とに摺接して両者１５，１６を導通させるものである。
【００１５】
電気抵抗体１５には、両端の端子１５ａ，１５ｂ間に直流電源１８で一定の電圧を印加し、片方の端子１５ａと電気接片１６の端子１６ａとを間に電圧計１９を接続する。このように配線を行うことにより、電気抵抗体１６の端子１６ａ，１６ｂ間の印加電圧に対して、ブラシ１７で分圧された電圧が、電圧計１９で検出される。したがって、この電圧値からブラシ１７の回転位置、すなわち回転軸２の基準点Ｏからの回転角Ｂが検出される。なお検出可能な回転角範囲Ａは１８０°としてある。
【００１６】
この回転角検出センサによると、ハウジング１をカップ状とし、その底部１ａに第１の回転角検出部３Ａを直接に設けたので、ハウジング１に蓋を設けてその蓋に回転角検出部を設けるものと異なり、取付誤差による回転検出出力のばらつきがない。回転角検出手段３として電気抵抗体１５とブラシ１７とによるポテンショメータ形式のものを使用した場合、回転検出出力の基準位置は電気的中立点位置と考えられる。ハウジング１に対する電気的中立点位置に関しては、この実施形態のような一体物のハウジング１に回転角検出部３Ａを設けたものは、ハウジング１と別体の蓋等に回転角検出部を設けたものに比べて、各部材間でのばらつきが小さい。
【００１７】
また、この回転角検出センサは、ハウジング１を一体物としたため、蓋が必要でなくなるのに加えて、従来ハウジングと蓋を取付けるのに必要であったボルトやその接触面のシール部材等が不要となり、構成部品数が削減できる。例えば、図４の例では部品が１７種類，２４点であるのに対して、この実施形態品は１２種類，１３点と、部品点数を約半分にすることができる。
さらに、この回転角検出センサは、回転軸２に大径部２ａを設けたため、大径の軸受４が使用でき、回転軸２に大きな荷重が負荷されても、軸受４でこの荷重を支持することができる。軸受４は予圧されているため、回転軸２のがたつきがなく、荷重の負荷状態でも、精度良く回転角を検出することができる。軸受４の予圧は、ばね部材を設けて定圧予圧としたため、定位置予圧の場合のような厳しい寸法精度を必要とせずに、適正な予圧を与えることができる。そのため、ハウジング１、回転軸２の鍔部２ｄ、あるいは間座等を高精度に加工する必要がなく、加工が簡単で安価に製作できる。
【００１８】
ポテンショメータ形式の回転角検出手段３は、構成が簡単であるが、抵抗体１５とブラシ１７間の押し付け力が変動すると、回転角の検出値に誤差が生じる。しかし、この実施形態では軸受４に予圧を与えるため、回転軸２に荷重が負荷されても、ブラシの押し付け力が安定し、精度の良い回転角検出が行える。
【００１９】
【発明の効果】
この発明の回転角検出センサは、ハウジングをカップ状とし、第１の回転角検出部をハウジング内の底部に設け、第２の回転角検出部を回転軸の一端に設けたため、ハウジングに対する回転角検出出力の基準位置のばらつきを比較的小さく抑えることができ、また部品点数が削減される。また、回転軸を、予圧の与えられた軸受で支持したため、回転軸に大きな荷重が作用しても、これを軸受で支持して精度の良い回転角検出が行える。上記軸受に予圧を与えるばね部材を設け、定圧予圧とした場合は、各部の寸法に厳しい精度を要求されることなく、所定の予圧を与えることができ、加工が簡単で安価に製作できる。上記軸受を軸方向に２個並べて設け、両軸受の内輪幅面間に介在する鍔部を上記回転軸に設け、ハウジング開口側の軸受の外輪をハウジングに止める止め輪を設け、ハウジングの底面とこの底面に隣接する軸受の外輪との間に、軸受に所定の予圧を与えるばね部材を介在させ、上記ハウジングの底面は、中央部が深く外周が浅い２段の段付き面とされ、第１の回転角検出部は、その深くなった底面部に取付けられ、ばね部材は、浅い底面部に配置される。このようにばね部材を設け、定圧予圧とした場合、定位置予圧の場合のような厳しい寸法精度を必要とせずに、適正な予圧を与えることができる。そのため、ハウジング、軸フランジ、あるいは間座等を高精度に加工する必要がなく、加工が簡単で安価に製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態にかかる回転角検出センサの階段状に破断した正面図である。
【図２】同回転角検出センサの下面図である。
【図３】同回転角検出センサの回転角検出手段とその配線構造例を示す説明図である。
【図４】従来例の破断正面図である。
【符号の説明】
１…ハウジング
１ａ…底部
１ｂ…開口部
２…回転軸
２ａ…大径部
３…回転角検出手段
３Ａ…第１の回転角検出部
３Ｂ…第２の回転角検出部
４…軸受
６…ばね部材
７…止め輪
８…シール
１５…電気抵抗体
１６…導電体
１７…ブラシ

Claims (4)

1. 対面する第１，第２の回転角検出部の間の回転角度を検出する回転角検出手段を備えた回転角検出センサにおいて、
   ハウジングをカップ状とし、第１の回転角検出部を上記ハウジング内の底部に設け、第２の回転角検出部を回転軸の一端に設け、この回転軸を、上記ハウジング内に予圧を与えられた軸受で支持し、上記回転軸の一部をハウジングの開口部からハウジング外に突出させ、
   上記軸受を軸方向に２個並べて設け、両軸受の内輪幅面間に介在する鍔部を上記回転軸に設け、ハウジング開口側の軸受の外輪をハウジングに止める止め輪を設け、ハウジングの底面とこの底面に隣接する軸受の外輪との間に、軸受に所定の予圧を与えるばね部材を介在させ、
   上記ハウジングの底面は、中央部が深く外周が浅い２段の段付き面とされ、第１の回転角検出部は、その深くなった底面部に取付けられ、ばね部材は、浅い底面部に配置されている回転角検出センサ。
2. 上記回転軸を、軸受で支持される部分がハウジング外に突出した部分よりも大径の大径部となる段付き軸とした請求項１記載の回転角検出センサ。
3. ハウジングの開口部の内径面と回転軸の外径面の間の隙間を塞ぐシールを設けた請求項１または請求項２に記載の回転角検出センサ。
4. 上記回転角検出手段は、第１，第２の回転角検出部のいずれか一方が電気抵抗体を有し、他方が上記電気抵抗体に摺接するブラシを有するものである請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の回転角検出センサ。

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