JP7365868B2

JP7365868B2 - 変位量検出装置

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Publication number: JP7365868B2
Application number: JP2019209555A
Authority: JP
Inventors: 学市倉; 春樹谷田部
Original assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2019-11-20
Filing date: 2019-11-20
Publication date: 2023-10-20
Anticipated expiration: 2039-11-20
Also published as: WO2021100507A1; JP2021081325A

Description

本発明は、直線方向の変位を検出し、変位量に応じた出力値を出力する変位量検出装置に関するものである。

従来から、例えば、アクチュエータの変位を検出し、その変位量に応じた信号を出力する変位量検出装置が知られている。

特許文献１に記載された電動アクチュエータは、直線的に移動する駆動軸（スライダ）と、この駆動軸に連結され、駆動軸の移動に応じて回転方向に変位する揺動リンク（レバー）を備えるとともに、この揺動リンクの回転量を検出する回転型ポテンショメータが配置されており、駆動軸の直線方向の変位を揺動リンクの回転方向の変位に変換し、駆動軸の変位量を電気信号として出力している。

特開２０１５－６１２９号公報

しかしながら、従来の変位量検出装置では、直線的に変位する駆動軸と、この駆動軸の動きを回転型ポテンショメータに伝達する揺動リンクとの連結部が１カ所のみであったため、この連結部が破損や故障を起こしてしまうと駆動軸の変位がポテンショメータに正しく伝わらなくなり、変位量に応じた検出信号が正しく出力されなくなるという問題があった。

また、変位量検出装置が、例えば電動工具に使われている場合、このような破損や故障が起こると、検出信号が正しく出力されなくなることから電動工具自体の使用ができなくなってしまい、使用者にとっては大きな不都合を生じるという問題もあった。

本発明の目的は、上記した課題を解決するためのものであり、直線方向に変位するスライダとこの変位を回転方向の変位に変換するレバーの連結部が破損や故障を起こしたとしても、変位量の変化が検出できる状態を維持することができる変位量検出装置を提供することにある。

また、変位量検出装置が電動工具に使用されている場合には、電動工具が突然使用不能になるという不具合を防止する事が出来る。

本発明の変位量検出装置は、直線方向に変位可能とされたスライダと、円盤形状の基部と前記基部から一方向に延在する長方形状の延在部とを有し、前記スライダの直線方向の変位を回転方向の変位に変換するレバーと、前記スライダと前記レバーの前記延在部における先端部とを連結する第１の連結部と、前記レバーの回転方向の変位に応じた出力値を発生させる変位量検出部と、前記延在部における前記先端部よりも前記基部側であって前記第１の連結部に隣接する位置において前記スライダと前記レバーとを連結する冗長機能を持つ第２の連結部と、を有する。

本発明によれば、スライダとレバーの第１の連結部が破損した場合でも、冗長機能を持つ第２の連結部により、スライダの動きをレバーに伝達する機能が維持されることから、信頼性の高い変位量検出装置が供給可能である。

本発明の実施の形態に係る変位量検出装置の全体構成を示す斜視図本発明の実施の形態１に係る変位量検出装置の構成を示す分解斜視図本発明の実施の形態１に係る変位量検出装置の断面図本発明の実施の形態１に係るスライダとレバーの連結部を説明するための要部斜視図本発明の実施の形態１に係る変位量検出部を説明するための斜視図本発明の実施の形態１に係るスライダとレバーの動作を説明するために平面図本発明の実施の形態１に係るスライダの変位量と出力レベルの関係を示す特性図本発明の実施の形態２に係る変位量検出装置の構成を示す分解斜視図本発明の実施の形態２に係るレバーの構造を示す斜視図本発明の実施の形態２に係る抵抗体膜の一例を示す拡大図本発明の実施の形態３に係る変位量検出装置の構成を示す分解斜視図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る変位量検出装置１００の全体構成を示す斜視図である。また、図２は、変位量検出装置１００の詳細な構成を示す分解斜視図であり、図３は、図１におけるＡ－Ａ断面を矢印Ｂ方向から見た断面図である。また、図４は、スライダとレバーの連結部を説明するための要部斜視図である。

図１に示すように、変位量検出装置１００は、本体１と、図示しない検出対象物の動きに応じて直線方向に移動するスライダ２と、本体１内に収容された回路基板６（図２参照）に電源電圧を供給するとともに、検出した変位量に応じた出力値を出力するためのハーネス７を備える。

本体１は、その上面が開口されているケース形状であるとともにその一側面には、長方形状の開口部１ａが形成されている。本体１の内部には、図２および図３に示すように、スライダ２、スライダ２を一方向に付勢する圧縮バネ８、レバー３、磁石４が配置されており、本体１はこれらが収容された後、カバー１２により上面の開口が閉じられる。また、本体１の下面（底面）には矩形形状の凹部が形成されており、この凹部内には磁気センサ５、回路基板６、ハーネス７が組付けられ、接着剤１３で封止される。

スライダ２は、ブロック状に形成されているとともに、その一端面から図４において右方向に突出する突出部２ａを有しており、この突出部２ａは本体１に形成された長方形状の開口部１ａから本体１の外方に突出している。この突出部２ａは、検出対象物（図示せず）の動きに応じて直線的に移動されることによりスライダ２自体も本体１の内部で直線的に移動する。スライダ２と本体１の内壁との間にはスライダ２の移動がスムーズになされるようにグリース９が塗布されている（図３参照）。このスライダ２は、いわゆるアクチュエータとして機能する。また、スライダ２の上面には、円柱形状の突起部２ｂが形成されるとともに、この突起部２ｂに隣接してスライダ２の上面を矩形形状に切り欠くことにより凹状とされた切り欠き部２ｃが形成されている。スライダ２は、突起部２ｂと切り欠き部２ｃとによりレバー３に連結される。（詳細は後述する）

また、スライダ２の一方の側面には円柱形状の突起からなるバネ保持部２ｄが形成されており、このバネ保持部２ｄには圧縮バネ８の一端が取り付けられている。圧縮バネ８の他端は本体１の内壁に当接されるように配置されており、スライダ２は圧縮バネ８の作用により、圧縮バネ８の他端が当接される本体１の内壁から遠ざかる方向へ付勢されている（図６参照）。

圧縮バネ８は、ステンレス鋼やリン青銅等で作られた巻バネであり、スライダ２を必要となる最大限の位置までスライドさせた場合でも、スライダ２が初期位置に自動復帰できるようなバネ荷重に設定されている。

レバー３は、図２、図３及び図４に示すように円盤形状の基部と、ここから一方向に延在する長方形状の延在部とを有する形状とされており、延在部にはその長手方向と平行に直線形状のスリット３ｂが形成されている。また、基部の下面側には、円形形状の磁石４を収容するための円形状の凹部３ａが形成されており（図３参照）、磁石４がこの凹部３ａ内に取り付けられ、接着剤等により凹部３ａ内に固定されている。

磁石４は、円盤形状のネオジウム磁石又はサマリウムコバルト磁石等であり、図５に示すように径方向に着磁されている。この磁石４は、レバー３の回転軸Ｍの中心に配置される。レバー３が回転することで磁石４も回転する。すなわち、レバー３の回転に合わせて、磁界(Ｎ極とＳ極を結ぶ線)の角度が変化する。

磁気センサ５は、図５に示すように磁気センサ５上に配置された磁石４の磁界の向きを検出するものであり、磁気抵抗素子やホール素子、あるいはこれらを含むＩＣ等が使用される。この磁気センサ５では、磁石４の回転による磁界の角度変化を電気信号として出力する。

回路基板６には、磁気センサ５の駆動等を行うための図示しない回路パターンが形成されているとともに磁気センサ５が実装されており、また回路基板６には磁気センサ５からの信号を出力するためのハーネス７が、例えば半田付けにより電気的に接続されている。なお、必要に応じ、バイパスコンデンサやアンプ回路を搭載あるいは形成しても良い。

次に、図４を用いて実施の形態１におけるスライダ２とレバー３との連結部の構造を説明する。

図４に示すように、スライダ２に形成された突起部２ｂがレバー３のスリット３ｂに嵌合することによりスライダ２とレバー３とが連結されて第１の連結部が形成される。また、レバー３には、スリット３ｂに隣接して延在部の下面に円柱形状の突起である係合部３ｃが形成されており、上記した突起部２ｂとスリット３ｂとの嵌合と同時にスライダ２に形成された矩形形状の切り欠き部２ｃとレバー３の係合部３ｃとが嵌合することにより第２の連結部が形成される。これにより、スライダ２とレバー３とは２つの連結部により連結されることになる。

ここで、第１の連結部は、正規の連結部であり、第２の連結部は、正規の連結部に破損等が生じたときに、変位量検出装置としての機能を維持するための、いわゆる冗長機能（バックアップ機能）を持つ連結部である。

第１の連結部を構成する突起部２ｂとスリット３ｂとの嵌合は、円柱形状の突起部２ｂがスリット３ｂ内で自由に回動しうる程度の微少なクリアランスを持って実質的に隙間のない状態でなされている。

一方、スライダ２に形成された矩形形状の切り欠き部２ｃとレバー３の係合部３ｃとの嵌合状態は、正常な状態において、スライダ２の直線的な動きがレバー３を回動させる動きにスムーズに変換されるために突起部２ｂとスリット３ｂの相対的な動きを妨げないように適度の隙間を持った状態で嵌合される形とされている。

また、第１の連結部と第２の連結部とは、互いに異なる連結構造とされている。すなわち、第１の連結部が、スライダ２に形成された突起部２ｂとレバー３に形成されたスリット３ｂにより構成されているのに対して、第２の連結部では、スライダ２に形成された切り欠き部とレバー３に形成された突起形状の係合部３ｃとにより構成されている。また、上述したように第１の連結部が実質的に隙間の無い連結部であるのに対して、第２の連結部は適度な隙間を持った連結部である。

このように、第１の連結部と第２の連結部とを互いに異なる連結構造としたことにより、第１に連結部を破損させるような事象が発生した場合でも、連結構造が異なっていることにより、第２の連結部が同時に破損するということが起こりにくい。

また、第２の連結部が適度な隙間を有しているため、同様に第１連結部を破損させる事象の影響が第２の連結部に及びにくくなる。

次に、図６Ａ及び図６Ｂを用いて実施の形態１における変位量検出装置の動作を説明する。尚、図６Ａ及び図６Ｂにおいては、スライダ２とレバー３の連結部の動きを示すために本体１の内部の構造を破線により示している。

図６Ａに示すように、位置検出装置１００におけるスライダ２の突出部２ａは、圧縮ばね８の付勢力により矢印Ｃ方向に付勢されて本体１に形成された長方形状の開口部１ａの一端に当接した位置（図６Ａおける開口部１ａの上端の位置）で係止された状態となっている。この位置を便宜上、スライダ２の初期状態の位置とする。

この状態から図６Ｂに示すようにスライダ２の突出部２ａが矢印Ｄ方向に直線的に変位すると、その変位量に応じてレバー３が凹部３ａの中心を回転軸Ｍ（図５参照）として時計回りの方向に回転する。図６Ｂはスライダ２が最大限変位した状態を示すものである。

それにより、レバー３に取り付けられている磁石４も所定量回転することになり、この回転量に応じた磁気の変化を磁気センサ５に与える。この時、レバー３の回転軸と磁石４の中心、および磁気センサ５の中心が一致していることが望ましい。

この磁気の変化量は、磁気センサ５によって電圧値に変換され、ハーネス７により外部へ出力される。

図７は、スライダ２の変位量と磁気センサ５から出力される電圧値の出力レベルの関係を示すグラフであり、横軸はスライダ２の変位量を、その最大変位量を１００％として表したものであり、縦軸はスライダ２の最大変位量に対応する電圧値の出力レベルを１００％として、電圧値の変位量を表したものである。スライダ２の変位量と電圧値の出力レベルとの関係は直線的に変化する。

図７のグラフにおいて、直線１は、スライダ２とレバー３との連結が正常な状態（第１の連結部が機能している状態）であるときのスライダ２の変位量と出力レベルとの関係を示したものであり、変位量が増加する方向に変化する場合には、直線１上を、図中の左下から右上に向かうように変化し、逆に減少する方向に変化する場合は直線１上を右上から左下に向かうように変化する。また、この増加方向及び減少方向の変化は可逆的であり、その変化率は一定であることから、増加方向及び減少方向の変化はともに同一の直線１上を行き来する。

次に、スライダ２の突起部２ｂとレバー３のスリット３ｂとの連結部が破損等により正常な連結状態ではなくなった場合の動作について、図６Ｃ及び図６Ｄを用いて説明する。

なお、図６Ｃは上述した図６Ａに、また、図６Ｄは上述した図６Ｂにそれぞれ対応しており、図６Ｃは、スライダ２が初期状態の位置を、また図６Ｄはスライダ２が最大限変位した状態を示している。尚、図６Ｃ及び図６Ｄでは、本体１内のスライダ２とレバー３とが第２の連結部により連結されている状態が示されるように本体１の上面（カバー１２）の一部を取り除いた図とされている。

スライダ２の突起部２ｂとレバー３のスリット３ｂの連結部に破損等が発生すると、スライダ２とレバー３とは図６Ｃに示すようにスライダ２に形成された矩形形状の切り欠き部２ｃとレバー３に形成された係合部３ｃとの嵌合による連結となる。スライダ２が図６Ｃに示す初期状態から図６Ｄに示す位置へ直線的に変位すると、この結合を介してスライダ２の直線方向の変位がレバー３の回転方向への変位に変換される。したがって、連結部が正常な状態、すなわち第１の連結部により変位を検出していたときとほぼ同様にスリット２の直線方向の変位がレバー３の回転方向の変位に変換されることになり、変位量の検出を行う機能は維持される。

ただし、変位量と出力レベルとの関係が直線的に変化することに変わりはないものの、変位量の変化に対する出力レベルの値の変化については、若干のズレを生じる。

すなわち、スライダ２に形成された矩形形状の切り欠き部２ｃとレバー３の係合部３ｃとの嵌合状態は、突起部２ｂとスリット３ｂの嵌合状態に比べて隙間の量が大きいため、その分だけスライダ２の移動に対してレバー３の動き出すタイミングが遅れることになりその分のズレが生じることになる。そのため、スライダ２の変位量と出力レベルとの関係を示す直線は、図７における直線２－１及び直線２－２のようになる。また、変位量が増加する方向に変化する場合と減少する方向に変化する場合とでもそれぞれ隙間によるタイミングのズレが発生することとなるため（変位量が増加方向に変化する場合は直線２－１であり、逆に減少する方向に変化する場合は直線２－２である）、いわゆるヒステリシスを生じることになる。

しかしながら、この程度のズレは、実用上、問題のないレベルであることから、変位量検出装置としては、十分に機能しうるレベルの性能を確保できる。

したがって、スライダ２とレバー３との連結部に破損が発生した場合でも、変位量検出装置として実用上、問題とならないレベルでの機能を維持することが可能となり、信頼性の高い変位量検出装置を提供することが可能となる。

また、これにより、例えば、変位量検出装置が電動工具に使用されている場合には、電動工具が突然使用不能になるというような不都合を生じるおそれがなくなる。

（実施の形態２）
図８、図９及び図１０は、本発明の実施の形態２に係る変位量検出装置を示したものであり、上述した実施の形態１とは、変位量の検出手段として磁石と磁気センサを用いることに代えて抵抗体と摺動子による可変抵抗器を用いている点が異なるものである。
この点以外については、上述した実施の形態１と同様な構成であるため、共通する部分についての説明は省略する。

図９に示すようにスライダ２と連結されるレバー１４には、磁石４を収納するための円形状の凹部３ａに代えて円盤形状の凸部１４ａが形成されており、この凸部１４ａの下面に一対のボス１４ｄが形成されている。この点を除いては、上述した実施の形態１のレバー３と同様な構成となっている。レバー１４に形成されたボス１４ｄには、レバー１４の回動に伴って、後述する回路基板１５上に形成された抵抗体膜１１上を回転方向に摺動する導電性のブラシ１０が取り付けられている。

回路基板１５には、図示しない回路パターンに加えて抵抗体ペーストの印刷や、導電性プラスチックの成形等により抵抗体膜１１のパターンが円弧形状に形成されている（図１０参照）。

スライダ２の直線方向の変位によりレバー１４が回転方向に変位すると、その下面に取り付けられたブラシ１０は抵抗体膜１１上を回転方向に摺動しつつ変位する。これによりレバー１４の変位量に応じて電気抵抗の値が変化する。この抵抗値の変化を電圧値の変化として検出することにより変位量が検出される。

ブラシ１０は、例えば、バネ用金属材、若しくはバネ用金属材料と接点用金属材の複合体で構成されている。

また、本実施の形態においても、実施形態１と同様にスライダ２とレバー１４との連結は、スライダ２に形成された突起部２ｂとレバー１４に形成されたスリット１４ｂとの嵌合による連結部（第１の連結部）と、スライダ２に形成された矩形形状の切り欠き部２ｃとレバー１４に形成された係合部１４ｃとの嵌合による連結部（第２の連結部）という２つの連結部によりなされているので、スライダ２とレバー１４との正規の連結部である第１に連結部に破損が発生した場合でも、第２の連結部が存在することにより、変位量検出装置として実用上、問題とならないレベルでの機能を維持することができる。

（実施の形態３）
図１１は、本発明の実施の形態３に係る変位検出装置の構成を示す分解斜視図であり、上述した実施の形態１とは、変位量を伝える手段であるレバー２における突出部の突出方向とその形状が異なっている。また、これに伴い本体１の形成される突出部が突出する開口部が開口する位置とその形状が異なっている。
この点以外は、上述した実施の形態１と同様の構成であるため、共通する部分についての説明は省略する。

図１１に示すよう、スライダ２には、スプリング８の一端が取り付けられる面とは反対側の側面に、円柱状の突出部２ｅが形成されている。また、本体１に形成される開口部１６は本体１における実施の形態１とは異なる側面に形成されており、開口部１６の形状は、スライダ２の円柱形状の突出部２ｅの断面形状に対応する円形形状とされている。スライダ２は、本体１外に突出した突出部２ｅをその突出方向と平行な方向に押圧されることによりスライダ２が圧縮バネ８を圧縮する方向に直線的に変位する。そして、スライダ２の変位がレバー３の回転方向に変位に変換されて、スライダ２の変位量、すなわち突出部２ｅの押し込み量に応じた出力値が出力される。

なお、本発明は、部材の種類、配置、個数等は前述の実施の形態に限定されるものではなく、その構成要素を同等の作用効果を奏するものに適宜置換する等、発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることはもちろんである。

また、本発明の変位量検出装置は、各種電動工具のトリガースイッチ、医療用のフットスイッチ等の変位量の検出を必要とする各種機器の広く利用することができることは勿論である。

本発明は変位量検出装置に用いて好適である。

１ケース
１ａ、１ｂ開口部
２スライダ
２ａ突出部
２ｂ突起部
２ｃ切り欠き部
２ｄバネ保持部
２ｅ突出部
３レバー
３ａ凹部
３ｂスリット
３ｃ係合部
４磁石
５磁気センサ
６回路基板
７ハーネス
８圧縮バネ
９グリース
１０ブラシ
１１抵抗体膜
１２カバー
１３接着剤
１４レバー
１４ａ突出部
１４ｂスリット
１４ｃ係合部
１４ｄボス
１５回路基板
１６開口部
１００変位量検出装置

Claims

直線方向に変位可能とされたスライダと、
円盤形状の基部と前記基部から一方向に延在する長方形状の延在部とを有し、前記スライダの直線方向の変位を回転方向の変位に変換するレバーと、
前記スライダと前記レバーの前記延在部における先端部とを連結する第１の連結部と、
前記レバーの回転方向の変位に応じた出力値を発生させる変位量検出部と、
前記延在部における前記先端部よりも前記基部側であって前記第１の連結部に隣接する位置において前記スライダと前記レバーとを連結する冗長機能を持つ第２の連結部と、
を有する、
変位量検出装置。
前記スライダには突出部が設けられており、前記突出部の突出する方向は前記スライダが変位する方向と直交する方向である、
請求項１の記載の変位量検出装置。
前記スライダには突出部が設けられており、前記突出部の突出する方向は前記スライダが変位する方向と平行な方向である、
請求項１の記載の変位量検出装置。
前記第１の連結部と前記第２の連結部とは、互いに異なる連結構造である、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変位量検出装置。
前記第２の連結部には、所定の隙間が形成されている
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の変位量検出装置
前記変位量検出部は、磁気センサを有する、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の変位量検出装置。
前記変位量検出部は、可変抵抗器からなる、
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の変位量検出装置。