JP4880549B2 - センサユニット - Google Patents

Description

この発明は、使用電圧が供給される状態で初期較正パラメータを用いた検出信号の補正を行うセンサと、このセンサが実装された回路基板を固定するハウジングとを備えたセンサユニットに関する。

この種のセンサユニットは、センサが実装された回路基板をハウジングに固定することで一体に取り扱えるようになっている。センサ、回路基板、及びハウジングの各間において組み立て誤差が生じることは避けられない。それ故、組み立て誤差に由来する測定誤差を補正するための初期較正パラメータを用いて検出信号の演算補正を行なうセンサが広く利用されている。初期較正パラメータは、実際に測定系を完成させて測定しない限り、特定することができない。このため、センサの検出信号を外部較正装置に送信し、その外部較正装置で求めた初期較正パラメータをセンサの不揮発性半導体メモリに書き込む初期較正作業を行なうことが行なわれている（例えば、特許文献１）。

上記のセンサとしては、センサへの入力線を減らすため、１の入力端に前記使用電圧より高い較正用電圧を供給した状態で前記初期較正パラメータの書き込み作業を行ない、その後、その１の入力端に使用電圧を供給した状態で不揮発性メモリに記憶する初期較正パラメータを用いて検出信号を補正することができるようになったものがある。

特開２００４−１９１１０１号公報

しかしながら、上記のように、センサとして１入力端から前記の使用電圧又は較正用電圧を供給するものを用いる場合、センサの入力端と回路基板のセンサ用電源接続端との間に、供給電源の電圧値を使用電圧に安定化する電圧安定化回路を組み込むことができない。センサの入力端に較正用電圧を供給することができなくなるためである。ところが、前記の電圧安定化回路を組み込まない場合、例えば、建設機械や産業機械等の駆動源に備わる発電補機から電源電圧を得る場合のように、電源電圧が使用環境により不安定である場合や、供給電源の電圧値が一つに特定できない場合にセンサユニットを利用することが困難になる。

そこで、この発明の課題は、センサユニットのセンサとして１入力端から使用電圧又は較正用電圧を供給するものを用いながら、初期較正作業後は、安定して使用電圧をセンサに供給可能とすることにある。

上記の課題を達成するため、この発明に係るセンサユニットは、使用電圧が供給される状態で初期較正パラメータを用いた検出信号の補正を行うセンサと、このセンサが実装された回路基板を固定するハウジングとを備え、前記センサを、その入力端に前記使用電圧より高い較正用電圧を供給した状態で前記初期較正パラメータの書き込み作業を行なうものとした構成を前提とする。
上記背景技術で述べたように、１入力端から使用電圧又は較正用電圧を供給するものを用い、センサへの入力線数を減らすためである。

前記初期較正パラメータは、少なくともセンサ、回路基板、及びハウジングの各間に生じる組み立て誤差に由来する測定誤差をセンサが演算処理で補正するための伝達関数のパラメータである。
なお、前記初期較正パラメータは、センサ感度のバラツキに由来する測定誤差を補正するためのパラメータとすることもできる。センサ感度のバラツキは、ハウジングに固定する前に予め試験機で測定して規格外品を排除することもできるが、初期較正パラメータで一括に補正する方が便利だからである。
また、前記センサの測定対象物を前記ハウジングに支持させる場合、前記初期較正パラメータは、前記センサと前記測定対象物間の組み立て誤差に由来する測定誤差をも補正するためのパラメータとすることができる。

前記使用電圧は、前記センサが前記補正後の検出信号を出力し得る電圧値であればよく、１の電圧値に定まる必要はない。

前記較正用電圧は、前記使用電圧より高く、かつ前記センサが書き込み処理を行い得る電圧値であればよく、１の電圧値に定まる必要はない。

この発明は、上記前提において、前記センサの入力端と前記回路基板のセンサ用電源接続端との間に、供給電源の電圧値を前記使用電圧に安定化する電圧安定化回路と、前記較正用電圧を前記センサに供給する配線とを並列に組み込み、前記配線を遮断可能な切替部を設け、前記ハウジングに前記切替部で遮断するための作業口を設けた構成を特徴とするものである。

この発明の構成によれば、センサの入力端と回路基板のセンサ用電源接続端との間に電圧安定化回路が組み込まれていても、並列に接続された配線からセンサの入力端に較正用電圧が供給される。
初期較正パラメータの書き込み作業後、ハウジングの作業口から切替部で配線を遮断すれば、電圧安定化回路から安定して使用電圧を前記センサの入力端に供給することが可能になる。

なお、前記初期較正パラメータが無効化しないように前記切替部で前記配線を遮断し得ることは勿論である。例えば、センサ及び回路基板が前記ハウジングに対して動くと、前記の組み立て誤差が変動し、初期較正パラメータによる補正ができなくなるからである。

前記配線及び前記切替部の具体的構成としては、前記配線がリード線からなり、前記切替部を前記配線の冗長部とした構成を採用することができる。
この構成によれば、作業口からリード線からなる配線の冗長部を切断工具で切るだけで配線の遮断を行なうことができる。すなわち、前記配線及び前記切替部を１本のリード線で構成することができる。

また、前記切替部が前記配線を開閉するスイッチからなる構成を採用することもできる。
この構成によれば、前記作業口から切替操作を行うことで、配線の遮断を行なうことができる。切替操作で配線を再び導通させることにより、使用時間経過により変動した補正用パラメータを求め、センサに書き込むことができる。

ここで、前記作業口は、前記センサ、回路基板等を保護するため、前記配線の遮断後は、固定材で塞ぐことが好ましい。
前記切替部を前記リード線や前記スイッチで構成する場合、前記固定材で前記切替部を遮断位置に保った構成を採用すれば、前記配線の遮断を固定材を利用して確実に行なうことができる。

前記固定材は、前記センサ等の充電部の保護が図り得る絶縁性及び防水性を有するものであり、例えば、樹脂製のカバー部材、充填材が挙げられる。

前記固定材が絶縁性及び防水性を有する充填材からなる構成を採用すれば、蓋のように固定材を成形品として用意する必要がなくなり、低コスト化を図ることができる。

前記充填材としてシリコン樹脂又はウレタン樹脂を用いれば、柔軟性に優れるため、前記ハウジングに加わる振動で外れ難くなる。

前記充填材の機械的強度を優先する場合は、前記充填材としてエポキシ樹脂を用いればよい。

なお、前記充填材としては、シリコン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂のうち、少なくとも１つを用いればよい。

前記センサを前記回路基板の一方の板面上に実装し、前記作業口を前記回路基板の他方の板面に臨ませ、前記切替部を前記作業口の内部に位置させ、前記ハウジングの前記作業口の周囲に、前記回路基板の他方の板面を支持する基板支持面を形成した構成を採用すれば、充填材からなる前記固定材を回路基板の他方の板面で作業口に留めることができ、充填作業が簡単になる。

前記センサが測定する物理量は、特に限定されず、センサの検出素子と、その検出素子に出力変化を生じさせる測定対象物との間の相対的な位置決めを要するものであればよい。例えば、変位検出センサのように、測定対象物の運動量を電気信号に変換するセンサ、特に位置決めを要する非接触式のものが挙げられる。具体的には、ロータリエンコーダ、ポテンショメータ、タコジェネレータ、温度センサ等が挙げられる。

例えば、前記ハウジングを、軸及び軸受を支持するものとし、前記センサを、前記軸と一体回転するエンコーダと共に非接触式ロータリエンコーダを構成するものとすることができる。
ここで、非接触式ロータリエンコーダは、回転に関する物理用、例えば、回転角、回転速度、回転数を測定するものである。
この構成を有するセンサユニットの初期較正作業を行なえば、センサ、回路基板、ハウジング、軸受、軸、及びエンコーダの各間の組み立て誤差を初期較正パラメータで補正して測定することができる。また、ハウジングがセンサハウジングと軸受ハウジングとを兼ねるので、部品数が抑えられる。

上述のように、この発明は、センサユニットのセンサとして１入力端から使用電圧又は較正用電圧を供給するものを用いながら、前記センサの入力端と前記回路基板のセンサ用電源接続端との間に、供給電源の電圧値を前記使用電圧に安定化する電圧安定化回路と、前記較正用電圧を前記センサに供給する配線とを並列に組み込み、前記配線を遮断可能な切替部を設け、前記ハウジングに前記切替部を露出させる作業口を設けた構成の採用により、初期較正作業後は、作業口から切替部において配線の導通を遮断し、電圧安定化回路から安定して使用電圧をセンサに供給することが可能になる。

以下、この発明の実施形態を図１、図２に基づいて説明する。
図１は、この発明の第１実施形態に係るセンサユニットの全体構成をアキシャル平面の切断面で示している。
図１に示すように、第１実施形態に係るセンサユニットは、軸１を支持する軸受２と、軸１と一体回転するエンコーダ３と共に非接触式ロータリエンコーダを構成するセンサ４と、このセンサ４が実装された回路基板５を固定するハウジング６とを備えている。

ハウジング６は、軸受２を支持するものとされている。軸受２は、一対の玉軸受から構成されている。ハウジング６は、両側に開放された筒状とされた本体部６１の外周に取付フランジ６１ａを有し、その本体部６１の内周に各転がり軸受の静止輪が嵌合される軸受座６１ｂを有している。本体部６１ａの一端側の開放口は、軸１及び軸受２の組み込み口となっており、蓋６２で覆うようになっている。ハウジング６に対する軸１及び軸受２の相対的な位置決めは、本体部６１の軸受座６１ｂで軸１及び軸受２を径方向に位置決めし、本体部６１の肩６１ｃ、軸１側の間座１ａ、及び蓋６２で軸方向に位置決めするようになっている。

ハウジング６の本体部６１と蓋６２との間は、シール６３で密封されている。上記のようにハウジング６、軸１、及び軸受２がユニット化された状態で、軸１の一端側の端面と蓋６２との間に内部空間が生じるようになっている。この内部空間は、軸１の一端側の端面に固定されたエンコーダ３と、蓋６２の内側に固定された回路基板５の設置空間となっている。軸１の他端側の端面は、ハウジング６から露出しており、本体部６１の他端側の開放口と軸１との間がシール６４で密封されている。

回路基板５の一方の板面上に実装されたセンサ４は、エンコーダ３と共に磁気式エンコーダを構成している。軸受２の潤滑剤がハウジング６内に存在し、光学式エンコーダの採用が困難なためである。

具体的には、センサ４は、前掲の特許文献１のように、９０°の位相差をもって生じる２相の磁束変化から回転角を検出する磁気式の回転角センサとして構成された周知のものである。
エンコーダ３は、センサ４の測定対象物であり、円周方向にＮ極とＳ極が交互に着磁された磁気エンコーダとされている。このエンコーダ３は、軸１の一端側の端面に対して、その回転中心が軸と一致するように取付具で固定されている。

エンコーダ３を軸１に固定し、回路基板５が固定された蓋６２を本体部６１に取り付けると、センサ４及びエンコーダ３の相対的な位置決めが行なわれる。その結果、センサ４の第１相用の磁気検出素子４１ａと第２相用の磁気検出素子４１ｂとが９０°の位相差をもってエンコーダ３と対向する。

図２にセンサ４及び回路基板５の回路構成を概念的に示すように、センサ４は、初期較正パラメータを記憶する不揮発性半導体メモリ４２と、不揮発性半導体メモリ４２に記憶する初期較正パラメータを用いて検出信号を補正する演算処理部４３とを有しており、上記検出素子４１ａ、４１ｂと共に集積回路化され、回路基板５の軸側の板面に面実装されている。

センサ４の入力端４４は、回路基板５のセンサ用電源接続端５１に導通している。センサ用電源接続端５１に接続された入力線５２は、ハウジング６外部の電源に繋げられる。センサ４の出力端４５は、回路基板５の出力端５３に導通している。センサ４の検出信号は、回路基板５の出力端５３に繋がる出力線５４よりハウジング６の外部に送信される。

センサ４は、その入力端４４に使用電圧が供給される状態で初期較正パラメータを用いた検出信号の補正を行い、その入力端４４に前記使用電圧より高い較正用電圧を供給した状態で前記初期較正パラメータの書き込み作業を行なうようになったものである。なお、センサ４の入力端４４は、正極端であり、センサ４の負極端４６は、グランドに接続されている。

センサ４の入力端４４と回路基板５のセンサ用電源接続端５１との間に、供給電源の電圧値を前記使用電圧に安定化する電圧安定化回路７と、前記較正用電圧をセンサ４に供給する配線８とが並列に組み込まれている。

電圧安定化回路７は、回路基板５のセンサ用電源接続端５１に接続された供給電源の電圧値を前記使用電圧に安定化する回路であればよく、周知の構成のものが採用されている。この電圧安定化回路７は、図１に示すように、回路基板５の軸側の板面にセンサ４と別体に実装されている。電圧安定化回路７の入力端７１は、回路基板５のセンサ用電源接続端５１に導通する正極端であり、電圧安定化回路７の負極端７２はグランドに導通している。電圧安定化回路７の出力端７３はセンサ４の入力端４４に導通している。なお、センサ４と電圧安定化回路７とを集積回路化することもできる。

配線８は、図１、図２に示すように、回路基板５のセンサ用電源接続端５１と電圧安定化回路７の入力端７１との間に一端が接続された第１リード線８１と、この第１リード線８１の他端に一端が接続されたスイッチからなる切替部８２と、この切替部８２の他端に一端が接続された第２リード線８３とからなり、第２リード線８３の他端が電圧安定化回路７の出力端７３とセンサ４の入力端４４との間に接続されている。

上記の接続構成においては、配線８又は電圧安定化回路７からセンサ４の入力端４４に供給される電圧は、センサ４の入力端４４とグランド間の電位差として与えられる。

切替部８２を構成するスイッチがＯＮのときは、配線８が電圧安定化回路７と並列に導通する状態のため、センサ４の入力端４４に較正用電圧を供給することができる。

上記の構成を有する第１実施形態に係るセンサユニットは、図１に示すように、軸１及び軸受２をハウジング６の本体部６１に組み込み、回路基板５を固定した蓋６２を本体部６１に固定し、ハウジング６を密封した組み立て状態で、センサユニット全体の組み立て誤差が決まる。その組み立て状態で、図２に示すようにハウジング６の外部に取り出された入出力線５２、５４が図示省略の外部較正装置の入出力端に接続され、切替部８２がＯＮ、外部較正装置から較正用電圧がセンサ４の入力端４４に供給された状態で、図１に示す軸１を３６０°回転させる間、センサ４の検出信号が外部較正装置に送信される。外部較正装置は、その一回転分の測定結果から、上記の組み立て誤差とセンサ感度のバラツキに由来する測定誤差を補正するための初期較正パラメータを求める。求められた初期較正パラメータは、外部較正装置よりセンサ４に送信され、センサ４は、図２に示す不揮発性半導体メモリ４２にその初期較正パラメータを書き込む。

上記の初期較正作業後、切替部８２を構成するスイッチをＯＦＦにすれば、配線８の導通が遮断されるので、電圧安定化回路７のみから安定してセンサ４に前記使用電圧を供給することが可能になる。
例えば、入出力線５２、５４から外部較正装置を切り離し、図１に示すセンサユニットをハウジング６の取付フランジ６１ａを利用して建設機械等のハウジングに固定し、軸１を建設機械等の駆動系に連結し、建設機械等の発電補機やバッテリを供給電源として入力線５２に接続すれば、図２に示す回路基板５のセンサ用電源接続端５１に供給された電圧は、電圧安定化回路７の入力端７１のみに供給され、電圧安定化回路７で使用電圧に安定化され、センサ４の入力端４４に供給される。センサ４は、不揮発性半導体メモリ４２に記憶した初期較正パラメータを用いて演算処理部４３で補正を行い、その補正後の検出信号を回路基板５の出力端５３から出力線５４を介して外部機器に送信することができる。

上記のＯＮ−ＯＦＦ切替操作を蓋６２を外して行うと、本体部６１と蓋６２間の組み立て誤差が変わるから、蓋６２を外すことなく切替操作を行えるようになっている。
具体的には、図１に示すように、ハウジング６の蓋６２に、回路基板５の蓋側の板面に臨ませた作業口６５が形成されている。切替部８２は、第１リード線８１と第２リード線８３を回路基板５のスルーホールに通すことで回路基板５の蓋側の板面上に設けられ、作業口６５の内部に位置している。切替操作は、蓋６２の外側より作業口６５に治具を差し入れて行うことができる。

ここで、蓋６２の内側のうち、作業口６５の周囲に、回路基板５の他方の板面を支持する基板支持面６２ａが形成されている。回路基板５の他方の板面は、ねじ止めにより基板支持面６２ａに押し付けられている。なお、蓋６２を絶縁材から形成するか、回路基板５と蓋６２との間に絶縁部を介在させることは勿論である。

回路基板５の外周は、蓋６２の内側に形成された内周壁面６２ｂで位置決めされている。

上記のように、回路基板５が蓋６２の基板支持面６２ａ及び内周壁面６２ｂで確実に位置固定すると共にねじ止めされているため、切替操作により、回路基板５が蓋６２に対して動くことはない。

また、この切替部８２の切替操作は、操作片８２ａを回路基板５と平行に動かすようになっている。このため、プッシュボタン式のように、切替操作時に回路基板５が撓み、センサ４の位置ずれが生じる心配もない。

したがって、切替操作により配線８を遮断する間、センサ４及び回路基板５は、ハウジング６に対して動かない。換言すれば、前記の組み立て誤差が変動し、初期較正パラメータが無効化することはない。

切替操作により配線８の遮断した後、蓋６２の外部に開放する作業口６５は、固定材９で塞ぐことができる。固定材９として、絶縁性及び防水性を有する充填材が採用されており、回路基板５の充電部が保護されている。

切替部８２の操作片８２ａは、固定材９により、遮断位置であるＯＦＦ位置に保たれている。

固定材９の耐衝撃性を優先する場合は、上記充填材としてシリコン樹脂又はウレタン樹脂を用いることができる。固定材９の機械的強度を優先する場合は、前記充填材としてエポキシ樹脂を用いることができる。

上記のように、作業口６５の周囲に形成された蓋６２の基板支持面６２ａで回路基板５の蓋側の板面が支持されており、これらの間が非常に狭い。このため、充填材からなる固定材９は回路基板５により作業口６５内に留められるので、充填作業を簡単に行なうことができる。

この第１実施形態のように、回路基板５の外周を位置決めする内周壁面６２ｂを形成すれば、回路基板５の外周から充填材が食み出ることが内周壁面６２ｂで抑えられるので、作業口６５内に充填材をより留めることができる。

なお、ハウジング６の蓋６２に、入力線５２及び出力線５４を外部に取り出すためのライン口６６が形成されている。入力線５２及び出力線５４は、同軸ケーブルになっており、ライン口６６は、上記作業口６５と同様にして充填材で塞がれている。両線５２、５４を回路基板５に半田付けし、コネクタを省略するためである。

上記第１実施形態は、作業口６５の固定材９を外せば、再較正作業を行ない得る点で便利である。上記第１実施形態においては、固定材９を、充填材に代えて作業口６５に着脱されるカバー部材とし、そのカバー部材に操作片８２ａをＯＦＦ位置に保つこともできる。

配線８の切替構造は、上記第１実施形態のものに限定されず、その他、配線の途中に切替部となるコネクタを設け、そのコネクタを作業口内に位置させ、コネクタの抜差しにより、配線の遮断と導通を切替可能にすることもできる。なお、配線の一端と回路基板とをコネクタで接続することもできるが、回路基板に引き抜き力が負荷される点で配線の途中に設ける方がよい。

また、別例として、この発明の第２実施形態を図３に基づいて説明する。なお、以下では、上記第１実施形態との相違点を中心に述べ、同一に考えられる構成の説明を省略する。

図３（ａ）に示すように、この第２実施形態に係るセンサユニットは、センサ４に較正用電圧を供給する配線１０が１本のリード線からなる。配線１０は、回路基板５のスルーホールに通して作業口６５の内部に位置するように冗長部１０ａが設けられている。その作業口６５内の冗長部１０ａは、外側に近づくように曲げられており、ニッパで蓋６２の外部から簡単に切ることができる。すなわち、配線１０の冗長部１０ａが、その配線１０を遮断可能な切替部を構成している。初期較正作業後に、冗長部１０ａをニッパで切るだけなので、センサ４及び回路基板５がハウジング６に対して動かない。

配線１０が冗長部１０ａで切られた後、図３（ｂ）に示すように、両切断端１０ｂ、１０ｃは、充填材からなる固定材９で互いに離間する遮断位置に保たれている。第２実施形態においては、固定材９を、充填材に代えて作業口６５に着脱されるカバー部材とし、そのカバー部材に両切断端１０ｂ、１０ｃを絶縁遮蔽する壁部を設けることもできる。

この第２実施形態は、上記のように切替部としてスイッチやコネクタを設けずに、１本のリード線で配線及び切替部を構成することができる。

第１実施形態の全体構成を示す断面図 図１のセンサ及び回路基板の回路構成を示すブロック図 第２実施形態の全体構成を示す断面図

符号の説明

１ 軸
２ 軸受
３ エンコーダ
４ センサ
５ 回路基板
６ ハウジング
７ 電圧安定化回路
８、１０ 配線
９ 固定材
１０ａ 冗長部
１０ｂ、１０ｃ 切断端
４１ａ、４１ｂ 検出素子
４２ 不揮発性半導体メモリ
４３ 演算処理部
４４、７１ 入力端
４５、７３ 出力端
４６、７２ 負極端
５１ センサ用電源接続端
５２ 入力線
５３ 出力端
５４ 出力線
６１ 本体部
６１ａ 取付フランジ
６１ｂ 軸受座
６１ｃ 肩
６２ 蓋
６２ａ 基板支持面
６２ｂ 内周壁面
６３、６４ シール
６５ 作業口
６６ ライン口
８１ 第１リード線
８２ 切替部
８２ａ 操作片
８３ 第２リード線

Claims (8)

1. 使用電圧が供給される状態で初期較正パラメータを用いた検出信号の補正を行うセンサと、このセンサが実装された回路基板を固定するハウジングとを備え、前記センサを、その入力端に前記使用電圧より高い較正用電圧を供給した状態で前記初期較正パラメータの書き込み作業を行なうものとしたセンサユニットにおいて、
   前記センサの入力端と前記回路基板のセンサ用電源接続端との間に、供給電源の電圧値を前記使用電圧に安定化する電圧安定化回路と、前記較正用電圧を前記センサに供給する配線とを並列に組み込み、前記配線を遮断可能な切替部を設け、前記ハウジングに前記切替部で遮断するための作業口を設けたことを特徴とするセンサユニット。
2. 前記配線がリード線からなり、前記切替部を前記配線の冗長部とした請求項１に記載のセンサユニット。
3. 前記切替部が前記配線を開閉するスイッチからなる請求項１に記載のセンサユニット。
4. 前記作業口を塞ぐ固定材で前記切替部を遮断位置に保った請求項２又は３に記載のセンサユニット。
5. 前記固定材が、絶縁性及び防水性を有する充填材からなる請求項４に記載のセンサユニット。
6. 前記充填材としてシリコン樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂のうち、少なくとも１つを用いた請求項５に記載のセンサユニット。
7. 前記センサを前記回路基板の一方の板面上に実装し、前記作業口を前記回路基板の他方の板面に臨ませ、前記切替部を前記作業口の内部に位置させ、前記ハウジングの前記作業口の周囲に、前記回路基板の他方の板面を支持する基板支持面を形成した請求項５又は６に記載のセンサユニット。
8. 前記ハウジングを、軸及び軸受を支持するものとし、前記センサを、前記軸と一体回転するエンコーダと共に非接触式ロータリエンコーダとした請求項１から７のいずれか１つに記載のセンサユニット。

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