JP5384147B2 - 接触式ストロークセンサ - Google Patents

Description

本発明は、移動体の移動量を検出する接触式のストロークセンサに関する。

移動体の移動量を検出する接触式のストロークセンサとしては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。このセンサは、シリンダの孔に装着したケースの内部にシャフトを備えている。シャフトは、一端部がピストンの端面に当接し、かつ他端部がシリンダの外部に突出されている。シャフトにおいてシリンダから突出した他端部には、コアが設けられている。コアの周囲となる部位には、コアの変位に応じた電気信号を出力する検出素子が設けられている。このストロークセンサでは、ピストンが移動すると、シャフトに設けたコアが移動し、その変位量が検出素子により電気信号として出力される。

特開昭６４−６７３３号公報

ところで、上述したストロークセンサでは、検出対象であるピストンと、検出素子によって変位が検出されるシャフトとがシリンダ及びケースを介して位置決めされることになる。このため、ストロークセンサに検出精度を確保するには、シリンダとケースとを正確に位置決めした状態でピストンとともにシャフトを組み立てなければならず、適用する移動体の組立作業を煩雑化することになる。例えば、特許文献１では、ピストンのラジアル方向にガタが発生した場合、シャフトのラジアル方向の位置が変化するばかりでなく、ピストンの回転によってシャフトの向きが変化することになる。ピストンの回転力やスラスト方向力は油の流れによるフローフォースや振動、加速度によって発生し、動作条件によって常に変化する。従って、これらシャフトの位置や回転方向の向きが変化すると、ストロークセンサの検出精度が悪化するという問題がある。

本発明は、上記実情に鑑みて、適用する移動体の組立作業を煩雑化することなく所望の検出精度を確保した接触式ストロークセンサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る接触式ストロークセンサは、摺動孔を有した第１のケースと、前記第１のケースに結合することにより、互いの間に油を充填した油室を構成する第２のケースと、前記第２のケース及び前記第１のケースのいずれか一方に形成し、前記油室を外部に連通させる連通通路と、先端部が外部に露出する状態で前記第１のケースの摺動孔に進退可能に嵌合し、かつ前記油室の内部に前記摺動孔よりも太径となる太径部を収容したシャフトと、前記油室に配設し、前記シャフトの先端部を前記第１のケースから常時突出する方向に押圧する押圧部材と、前記第２のケースの外部において前記シャフトの変位量に応じた電気信号を出力する検出素子とを備えた接触式ストロークセンサであって、前記シャフトの先端部に形成した収容孔と、球面の一部を外部に露出させ、かつ前記収容孔に複数の支持球を介在させた状態で前記収容孔に転動可能に収容させた接触用の接触球と、を備え、前記接触球は、前記シャフトの収容孔に挿入した後、開口端部の全周をかしめることによって前記シャフトに支持させたことを特徴とする。

また、本発明に係る接触式ストロークセンサは、上述した請求項１において、前記支持球を収容する収容部は、前記接触球を収容する収容孔よりも内径を大きく形成したことを特徴とする。

また、本発明に係る接触式ストロークセンサは、上述した請求項１において、前記第１のケースと前記シャフトとの間に相対回転を規制する回転規制手段を構成したことを特徴とする。

また、本発明に係る接触式ストロークセンサは、上述した請求項１において、前記連通通路は、前記第１のケースにおいてシャフトの周囲となる部位に該シャフトの軸方向に沿って形成したことを特徴とする。

また、本発明に係る接触式ストロークセンサは、上述した請求項１において、前記シャフトに永久磁石を配設し、前記検出素子は、前記シャフトの変位に伴う磁界の変化に応じて電気信号を出力する磁気検出素子であることを特徴とする。

本発明によれば、予め組み立てた第１のケースと第２のケースとによってシャフトが支持されるため、既に所望の検出精度が確保された状態にある。従って、適用する移動体の組立時においてはこれら三者の位置決めが不要となり、組立作業を煩雑化することなく、所望の検出精度を確保することができる。

図１は、本発明の実施の形態１である接触式ストロークセンサの断面側面図である。 図２は、図１における II−II 線断面図である。 図３は、図１における矢視 III 図である。 図４は、図１に示した接触式ストロークセンサにおいてシャフトの先端部を拡大して示す要部断面図である。 図５は、図４における V−V 線断面図である。 図６は、図１に示した接触式ストロークセンサの動作を順に示す断面側面図である。 図７は、図１に示した接触式ストロークセンサの第１変形例においてシャフトの基端部及びその要部を拡大して示す断面図である。 図８は、図１に示した接触式ストロークセンサの第２変形例においてシャフトの基端部を拡大して示す要部断面図である。 図９は、図１に示した接触式ストロークセンサの第３変形例においてシャフトの基端部及びその要部を拡大して示す断面図である。 図１０は、図１に示した接触式ストロークセンサの第４変形例においてシャフトの基端部を拡大して示す要部断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る接触式ストロークセンサの好適な実施の形態について詳細に説明する。

図１及び図２は、本発明の実施の形態である接触型のストロークセンサを示したものである。ここで例示するストロークセンサは、可変容量型油圧ポンプＰの斜板を動作させるピストンＡを計測対象とし、その移動量を検出することにより斜板角センサとして用いられるものである。図には明示していないが、油圧ポンプＰは、建設機械のエンジンによって駆動されるもので、エンジンとともにエンジンルームに配設されている。ピストンＡは、ケーシングＣの内部において往復移動することにより図示せぬ斜板の角度を変更するものである。ケーシングＣの内部は、常時油によって満たされた状態にある。

図１及び図２に示すように、ストロークセンサは、耐圧容器１０とシャフト２０とを備えている。耐圧容器１０は、２つのケース１１，１２を互いに結合することによって構成したものである。本実施の形態では、油圧ポンプＰのケーシングＣ内に発生する油圧に耐えるだけの剛性を有した耐圧容器１０を適用している。第１のケース１１及び第２のケース１２は、それぞれ基端部が開口した筒状を成し、かつ先端部が細径の円筒状を成すもので、オイルシール１３を介在させた状態で第２のケース１２の基端部を第１のケース１１の基端部に嵌合させることにより互いの間に油室１４を構成している。第１のケース１１において細径の円筒状に形成した部分は、その先端面が開口して摺動孔１１ａを構成している。これに対して第２のケース１２では、細径の円筒状に形成した部分の先端面が閉塞してある。図中の符号１５は、第１のケース１１の基端部外周に装着したオイルシールである。

この耐圧容器１０には、連通通路１６が形成してある。連通通路１６は、第１のケース１１と第２のケース１２との間に構成した油室１４を外部に連通させるための細径の孔であり、第１のケース１１の基端部において摺動孔１１ａの周囲となる部位に該摺動孔１１ａの軸心に沿って形成してある。

シャフト２０は、中間部にフランジ（太径部）２１を有し、かつ一端部が円柱状を成すもので、フランジ２１を含む部分を油とともに油室１４に収容し、かつ円柱状に形成した一端部を第１のケース１１の摺動孔１１ａに軸心方向に沿って進退可能に嵌合した状態で耐圧容器１０に配設してある。このシャフト２０には、円柱状に形成した部分の先端部に二面幅２２が設けてあるとともに、先端部に接触球３０が配設してある。

二面幅２２は、シャフト２０の軸心を挟んで互いに平行となるように形成した平面であり、シャフト２０が第１のケース１１に対して摺動した場合に常に摺動孔１１ａの開口端部に対応するように形成してある。

接触球３０は、図４及び図５に示すように、シャフト２０の先端面に形成した収容孔２３に複数の支持球４０を介して収容させた後、収容孔２３の開口端部全周を軸心側に向けてかしめることにより、球面の一部を外部に露出させた状態でシャフト２０の先端部に転動可能に支持させてある。図からも明らかなように、シャフト２０の先端部には、被接触体であるピストンＡとの接触範囲をより大きく確保すべく、先端に向けて漸次外径が小さくなるようにテーパ面２４が構成してある。

シャフト２０の収容孔２３には、中ぐり加工を施すことにより、奥側端部に手前側端部よりも内径の大きな収容部２５が構成してある。収容部２５は、内周面２５ａが接触球３０の外径よりも大きな内径を有するように形成してある。収容孔２３の内底面には、外周部に平坦面２３ａが形成してあるとともに、中心部に台状部２３ｂが形成してある。平坦面２３ａは、シャフト２０の軸心に直交するように形成した環状を成す一連の平面である。台状部２３ｂは、外周部よりも先端側に向けて突出した突部であり、シャフト２０の軸心を中心とした円錐台状に構成してある。

接触球３０とともに収容孔２３に収容させた複数の支持球４０は、接触球３０に対して十分に小さい外径を有した球体である。本実施の形態では、接触球３０としてΦ５ｍｍのものを適用し、かつ支持球４０としてΦ１．５ｍｍのものを９個適用している。これらの支持球４０は、収容孔２３の内底面に形成した平坦面２３ａ及び収容部２５の内周面２５ａに当接するとともに、接触球３０に対してそれぞれが球面を介して点接触することにより、接触球３０が平坦面２３ａ、収容部２５の内周面２５ａ及び台状部２３ｂと接触するのを阻止した状態で転動可能に支持するように機能する。

これらシャフト２０と耐圧容器１０との間には、図１及び図２に示すように、押圧バネ（押圧部材）５０及び回転規制リング（回転規制手段）６０が介在させてある。押圧バネ５０は、耐圧容器１０の油室１４に配設したコイルバネである。押圧バネ５０の一端部は、シャフト２０のフランジ２１に当接し、押圧バネ５０の他端部は、第２のケース１２の基端部と先端部との間に構成した段部１２ａに当接している。この押圧バネ５０は、圧縮した状態でフランジ２１と段部１２ａとの間に配設してあり、シャフト２０の先端部が常時第１のケース１１の先端部から突出するように押圧している。回転規制リング６０は、図３に示すように、シャフト２０において二面幅２２を形成した部分に嵌合する中心孔を有した円板状部材である。この回転規制リング６０は、図１及び図２に示すように、第１のケース１１の先端部にかしめることにより第１のケース１１に対して相対回転しないように固定してある。

また、シャフト２０には、その基端部に永久磁石８０が配設してある一方、耐圧容器１０の外側面にホール素子（磁気検出素子）８５が配設してある。永久磁石８０は、シャフト２０の基端部よりも細径の円柱状を成すもので、シャフト２０の基端部に設けた装着孔２０ｂに挿入した後、装着孔２０ｂの開口端部全周を軸心側に向けてかしめることによりシャフト２０に保持させてある。ホール素子８５は、第２のケース１２を介して永久磁石８０の磁界を検出し、該検出した磁界に応じた電気信号を出力するもので、第２のケース１２において細径の円筒状に構成した先端部に配設してある。ホール素子８５を配設した第２のケース１２の外周部は、モールド樹脂８６によって封止され、さらにカバー部材８７及びキャップ部材８８によって覆うようにしている。カバー部材８７は、ホール素子８５を封止したモールド樹脂８６の外周部及び第１のケース１１と第２のケース１２との接続部を覆う態様で耐圧容器１０に配設してある。より具体的には、カバー部材８７のかしめ部８７ａによって第１のケース１１に結合してある。キャップ部材８８は、ホール素子８５に接続したリード線８５ａを外部に延出させた状態でカバー部材８７の基端部に装着してある。

上記のように構成したストロークセンサは、第１のケース１１の基端部を介して油圧ポンプＰのケーシングＣに形成した取付孔ＣＨに取り付け、図２に示すように、シャフト２０の先端部に保持させた接触球３０をピストンＡに形成した斜面ＡＡに当接させ、カバー部材８７のボルト挿通孔８７ｂを介してボルトＢを締結することによってケーシングＣに保持させるようにしている。

この状態から油圧ポンプＰの斜板角を変化させるべくピストンＡが動作して図中の左右方向に移動すると、図６に示すように、斜面ＡＡの作用によってシャフト２０が図中の上下方向にストロークし、このシャフト２０のストロークに伴う永久磁石８０の磁界変化がホール素子８５によって検出されることになる。この結果、ホール素子８５から出力される電気信号に基づいて油圧ポンプＰの斜板角を検出することができるようになる。

ここで、上述したストロークセンサでは、ピストンＡの移動に伴って斜面ＡＡに当接した接触球３０が転動することになる。しかも、転動する接触球３０は、複数の支持球４０に点接触した状態にあり、シャフト２０に形成した収容孔２３の平坦面２３ａや内周面と直接接触することがない。従って、ストロークセンサを長期に亘って使用した場合にも接触球３０に早期に摩耗や損傷を来す恐れがなく、適用する油圧ポンプＰのメンテナンスを容易化することができるようになる。尚、接触球３０を支持する支持球４０は、収容孔２３の平坦面２３ａ及び収容部２５の内周面２５ａに接触した状態にあるが、支持球４０は接触球３０が転動する際に転動することがなく、また転動する必要もない。従って、支持球４０についても早期に摩耗や損傷を来す恐れはない。

さらに、上述したストロークセンサでは、図４に示すように、支持球４０が配設される収容部２５の内径を収容孔２３よりも大きく形成しているため、シャフト２０の軸心に対して接触球３０の中心と支持球４０の中心とを結ぶ線の傾斜角度αを大きく取ることが可能となる。これにより、接触球３０において被接触体との接触範囲をより大きく確保することができるようになる。この場合、シャフト２０に対しては、旋盤等の切削機械を用いてシャフト２０の収容孔２３に中ぐり加工を施せば、収容孔２３の平坦面２３ａ及び収容部２５の内周面２５ａを容易に、かつ精度良く成形することが可能である。従って、シャフト２０に対する接触球３０の配置位置にばらつきが発生する恐れがなく、検出精度の向上に寄与することができる。

また、上述したストロークセンサでは、収容孔２３の内底面中央部に台状部２３ｂを形成しているため、収容孔２３に複数の支持球４０を挿入した場合、これら支持球４０が収容孔２３の外周側に案内された状態に維持される。従って、接触球３０を収容させる際に支持球４０がこれを阻害することがなく、組立作業を容易に行うことが可能になる。

一方、図６に示すように、ピストンＡの移動に伴ってシャフト２０がストロークする間においては、耐圧容器１０に構成した油室１４の容積がシャフト２０のストロークに伴って変化するため、油室１４の油とケーシングＣに満たされた油とが連通通路１６を通じて互いに流通するようになる。

ここで、上記ストロークセンサによれば、連通通路１６がシャフト２０の軸心に沿って直線状に延在し、かつ直接ケーシングＣの内部に開口している。このため、連通通路１６の加工性を向上させることができるばかりでなく、油が流通する際の圧力損失を可及的に低減することができる。これにより、油室１４とケーシングＣとの間で流通される油がシャフト２０のストローク動作に影響を与える恐れがなく、ピストンＡの移動を検出する際の応答性を向上させることが可能になる。しかも、耐圧容器１０の油室１４から連通通路１６を通じて吐出された油は、ケーシングＣの内部を満たす大量の油と拡散されて十分に放熱されることになるため、その後、連通通路１６を通じて耐圧容器１０の油室１４に吸い込まれた際にホール素子８５の冷却を図ることが可能になる。この結果、例えば油圧ポンプＰを配設したエンジンルームが高温に曝された状況下にあっても、斜板角の検出精度に影響を与える恐れがなくなる。

尚、上述した実施の形態では、シャフト２０の基端部に形成した装着孔２０ｂに永久磁石８０を挿入した後、装着孔２０ｂの開口端部全周をかしめるようにしているが、例えば、図７の第１変形例に示すように、永久磁石８０の端面にワッシャ１００を配設し、このワッシャ１００を介して装着孔２０ｂの開口端部全周をかしめるようにしても良い。ワッシャ１００において装着孔２０ｂの開口側に位置する部位には、外部に向けて漸次外径が小さくなるテーパ面１０１が形成してある。この第１変形例のように、ワッシャ１００を介して永久磁石８０をシャフト２０に保持させた場合には、永久磁石８０の端面がワッシャ１００の端面に当接した状態となるため、単にシャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部をかしめた場合に比べて永久磁石８０との接触面積が大きくなる。この結果、振動や衝撃が加えられた場合にも、永久磁石８０の損傷を可及的に抑制することが可能になる。

また、上述した第１変形例では、ワッシャ１００にテーパ面１０１を形成し、このテーパ面１０１に対してシャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部をかしめるようにしているが、これに限定されず、例えば図８の第２変形例に示すように、ワッシャ１１０において装着孔２０ｂの開口側に位置する部位の外周部に外部に向けて漸次外径が小さくなるテーパ面１１１を形成し、さらにその中央部に円柱状部１１２を構成するようにしても良い。中央部に円柱状部１１２を有するワッシャ１１０を適用した場合には、シャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部をかしめると、シャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部が細径の円筒状に成形されることになる。従って、永久磁石８０をシャフト２０の装着孔２０ｂから外部に逸脱させるような力が加えられた場合にも、図７に示した変形例１に比べて、シャフト２０の開口端部を拡開させることがより困難となり、耐久性の点できわめて有利となる。

さらに、上述した実施の形態、変形例１及び変形例２では、いずれも永久磁石８０として円柱状を成すものを適用しているが、永久磁石の形状はこれらに限定されない。例えば、図９に示す変形例３のように、両端部が漸次細径となる柱状の永久磁石１２０を適用することも可能である。この場合、永久磁石１２０の端面に介在させるワッシャ１３０としては、永久磁石１２０の端部を収容するための凹部１３１を有したものを適用することが好ましく、さらに、永久磁石１２０の端部とシャフト２０の装着孔２０ｂとの間にスペーサ１４０を介在させることによって両者間のがたつきを防止することが好ましい。ワッシャ１３０において装着孔２０ｂの開口側に位置する部位に、外部に向けて漸次外径が小さくなるテーパ面１３２が形成してあるのは、変形例１及び変形例２と同様である。

また、図８の第２変形例と同様、図１０に示す変形例４のように、ワッシャ１５０において装着孔２０ｂの開口側に位置する部位の外周部に外部に向けて漸次外径が小さくなるテーパ面１５１を形成し、さらにその中央部に円柱状部１５２を構成したものを適用しても良い。中央部に円柱状部１５２を有するワッシャ１５０を適用した場合には、シャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部をかしめた場合、シャフト２０における装着孔２０ｂの開口端部が細径の円筒状に成形されることになる。従って、この図１０に示す変形例４においても、永久磁石１２０をシャフト２０の装着孔２０ｂから外部に逸脱させるような力が加えられた場合、図９に示した変形例３に比べて、シャフト２０の開口端部を拡開させることがより困難となり、耐久性の点できわめて有利となる。

尚、上述した実施の形態では、可変容量型油圧ポンプＰの斜板角センサとして用いられるストロークセンサを例示しているが、必ずしもこれに限定されず、シャフトを介して被接触体の表面に接触するものであれば、その他のものにも適用することが可能である。

また、上述した実施の形態及び変形例１〜４では、いずれもシャフト２０の太径部をフランジ２１として一体に成形したものを例示しているが、必ずしも太径部が一体である必要はなく、リングを装着する等、別の部品を装着することによって太径部を構成しても良い。

さらに、上述した実施の形態では、第１のケース１１に形成した摺動孔１１ａの軸心に沿って、つまりシャフト２０の軸方向に沿って連通通路１６を形成しているため、上述したように加工性の点、圧力損失の点、ホール素子の冷却の点で有利となるが、必ずしもシャフト２０の軸方向に沿って形成する必要はなく、シャフト２０の径方向に沿って形成しても構わない。また、第１のケース１１に連通通路１６を形成したもののみを例示しているが、第２のケース１２に形成しても良い。

１０ 耐圧容器
１１，１２ ケース
１１ａ 摺動孔
１４ 油室
１６ 連通通路
２０ シャフト
２１ フランジ
２２ 二面幅
２３ 収容孔
３０ 接触球
４０ 支持球
５０ 押圧バネ
６０ 回転規制リング
８０ 永久磁石
８５ ホール素子
８６ モールド樹脂
８７ カバー部材
８８ キャップ部材
１２０ 永久磁石

Claims (5)

1. 摺動孔を有した第１のケースと、
   前記第１のケースに結合することにより、互いの間に油を充填した油室を構成する第２のケースと、
   前記第２のケース及び前記第１のケースのいずれか一方に形成し、前記油室を外部に連通させる連通通路と、
   先端部が外部に露出する状態で前記第１のケースの摺動孔に進退可能に嵌合し、かつ前記油室の内部に前記摺動孔よりも太径となる太径部を収容したシャフトと、
   前記油室に配設し、前記シャフトの先端部を前記第１のケースから常時突出する方向に押圧する押圧部材と、
   前記第２のケースの外部において前記シャフトの変位量に応じた電気信号を出力する検出素子と
   を備えた接触式ストロークセンサであって、
   前記シャフトの先端部に形成した収容孔と、
   球面の一部を外部に露出させ、かつ前記収容孔に複数の支持球を介在させた状態で前記収容孔に転動可能に収容させた接触用の接触球と、
   を備え、前記接触球は、前記シャフトの収容孔に挿入した後、開口端部の全周をかしめることによって前記シャフトに支持させたことを特徴とする接触式ストロークセンサ。
2. 前記支持球を収容する収容部は、前記接触球を収容する収容孔よりも内径を大きく形成したことを特徴とする請求項１に記載の接触式ストロークセンサ。
3. 前記第１のケースと前記シャフトとの間に相対回転を規制する回転規制手段を構成したことを特徴とする請求項１に記載の接触式ストロークセンサ。
4. 前記連通通路は、前記第１のケースにおいてシャフトの周囲となる部位に該シャフトの軸方向に沿って形成したことを特徴とする請求項１に記載の接触式ストロークセンサ。
5. 前記シャフトに永久磁石を配設し、
   前記検出素子は、前記シャフトの変位に伴う磁界の変化に応じて電気信号を出力する磁気検出素子である
   ことを特徴とする請求項１に記載の接触式ストロークセンサ。

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