JP7404047B2 - 回転角度検出装置 - Google Patents

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Description

本発明は、回転角度検出装置に関する。
従来の回転角度検出装置として、例えば、オフィスオートメーション機器や産業機械等がもつ回転部品の回転角度や、ワイヤがドラムから繰り出される量を移動量として検出するポテンショメータが知られている。また、このような回転角度検出装置の中には、回転部品やドラムの多回転(例えば、数十回転)を検出するものがある。例えば、回転部品等の多回転を検出するためには、大きな減速比を得ることができる減速機構が必要となる。
例えば、特許文献1には、シャフトと、4つの平歯車を有し、シャフトの回転を減速する減速機構とを備え、減速した平歯車の回転角度を電圧に変換するポテンショメータが開示されている。
また、例えば、特許文献2には、スクリューと、スクリューと一体に回転するウォームギアと、ウォームギアに噛合する歯車と、歯車と共に回転するインジケータと、を備えるポテンショメータが開示されている。
特開2014-167427号公報 実全昭57-037205号公報
しかしながら、特許文献1に記載のポテンショメータでは、大きな減速比を得るために、小径の歯車が必要となる。また、歯車や歯車の軸受け部の寸法精度や組立精度を高くする必要がある。これにより、コストが嵩むという問題がある。また、大きな減速比を得るために、歯車を多段に配置した場合、例えば、歯車の回転軸方向(奥行き方向)を長くする必要があるため、装置を薄型にすることが困難となるという問題がある。
また、特許文献2に記載のポテンショメータでは、ウォームギアおよび歯車の寸法精度や組立精度を高くする必要がある。これにより、コストが嵩むという問題がある。また、ウォームギアの回転軸と歯車の回転軸とが直交する配置となるため、ポテンショメータが大型となり、ポテンショメータの取り付け面が広くなるという問題がある。
本発明の目的は、コストを低減し、かつ、薄型にすることが可能な回転角度検出装置を提供することである。
上記の目的を達成するため、本発明における回転角度検出装置は、
筐体と、
前記筐体に回転可能に配置される回転軸と、
前記回転軸と一体に回転するように配置される回転体と、
前記回転軸と同心に配置され、前記筐体に固定される第1内歯車と、
前記回転軸と同心に配置され、前記第1内歯車の歯数と異なる歯数を有し、前記筐体に回転可能に配置される第2内歯車と、
前記回転体における前記回転軸から離間した位置に回転可能に配置され、前記第1内歯車および前記第2内歯車に噛合する外歯車と、
前記第2内歯車の回転角度を検出する検出部と、
を備え、
前記筐体は、前記第2内歯車が回転可能に嵌め込まれる収容空間を有し、
前記第2内歯車の外周面と前記収容空間の内周面との間の隙間は、前記第2内歯車の直径に対して0.5%から5%までの大きさを有し、前記回転軸の方向において一方から他方に向かうにしたがって、前記第2内歯車に対して前記回転軸の径方向に広がる。
回転角度検出装置は、
筐体と、
前記筐体に回転可能に配置される回転軸と、
前記回転軸と一体に回転するように配置される回転体と、
前記回転軸と同心に配置され、前記筐体に固定される第1内歯車と、
前記回転軸と同心に配置され、前記第1内歯車の歯数と異なる歯数を有し、前記筐体に回転可能に配置される第2内歯車と、
前記回転体における前記回転軸から離間した位置に回転可能に配置され、前記第1内歯車および前記第2内歯車に噛合する外歯車と、
前記第2内歯車の回転角度を検出する検出部と、
を備え、
前記回転軸は、前記筐体の外部側に位置する前記回転軸の軸方向一側の端部と、前記軸方向一側の端部から前記筐体の内部側に延在する前記回転軸の軸方向他側の端部とを有し、
前記第2内歯車の回転中心部は、前記軸方向一側から前記軸方向他側へ凹入する穴を有し、
前記回転体は、前記回転軸の軸方向他側の端部に外嵌する外嵌部を有し、
前記外嵌部は、前記軸方向一側から前記軸方向他側へ前記穴に嵌入する、
回転角度検出装置。
本発明に係る回転角度検出装置によれば、コストを低減し、かつ、薄型にすることができる。
図1は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の一例を示す平面図である。 図2は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の一例を示す正面図である。 図3は、図1のA-A線断面図である。 図4は、回転角度検出装置の一部を示す部分分解斜視図である。 図5は、回転角度検出装置の内部を示す斜視図である。 図6は、図2のB-B線断面図である。 図7は、図3の部分拡大図である。 図8は、シャフトの回転数と出力レベルと対応関係の一例を示す図である。 図9は、回転角度検出装置の一例を示す分解斜視図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置1の一例を示す平面図である。図2は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置1の一例を示す正面図である。図3は、図1のA-A線断面図である。図2には、X軸およびY軸が描かれている。図2において、上下方向をX方向又は軸方向といい、上方向を、上側、「+X側」又は「+X方向」、下方向を、下側、「-X側」又は「-X方向」という。図2において、左右方向をY方向又は径方向といい、X軸から離れる方向を径方向外側又は「+Y方向」、X軸に近づく方向を径方向内側又は「-Y方向」という。
図1から図3に示すように、回転角度検出装置1は、ケース(筐体)10と、取付用ネジ20と、シャフト30(回転軸)と、回転体40と、固定側内歯車50(第1内歯車)と、可動側内歯車60(第2内歯車)と、外歯車70と、検出部80と、配線板90と、を備える。
ケース10は、概略円柱形状をなし、ケース10の中心部には、下端から上方向に延びる穴10aが設けられている。換言すると、ケース10は、円板部10bと、円板部10bから下方向に延びる円筒部10cとを備える有底円筒形状をなす。
円板部10bは、X軸を中心とする円板形状の外形を有する。円筒部10cは、X軸を中心とする筒状の外形を有する。穴10aの奥端側(上端側)には第1空間11が形成されている。第1空間11は、下方向(-X方向)を向く円形状の面11aと、面11aよりも下側に位置し、径方向内側(-Y方向)に面する内周面11bとにより画定される。
内周面11bの下端縁から径方向外側(+Y方向)に延在するようにして、第2空間12(本発明の「収容空間」に対応する)が形成されている。第2空間12は、内周面11bの下端縁よりも径方向外側に位置し、下方向(-X方向)を向く円環状の面12aと、面12aより下側に位置し、径方向内側(-Y方向)に面する内周面12bとにより画定される。
内周面12bの下端縁から径方向外側に(+Y方向)に延在するようにして、第3空間13が形成されている。第3空間13は、内周面12bの下端縁よりも径方向外側に位置し、下方向(-X方向)を向く円環状の面13aと、面13aより下側に位置し、径方向内側(-Y方向)に面する内周面13bとにより画定される。
取付用ネジ20は、ケース10の円板部10bの中央部にインサート成形されている。取付用ネジ20は、軸方向(X方向)に沿って延在する貫通穴22を有している。
シャフト30は、ケース10に回転可能に配置される。シャフト30は上下方向(X方向)に延在する。シャフト30は、取付用ネジ20に回転可能に支持されている。シャフト30は、貫通穴22に挿通されている。シャフト30の下端部32は第1空間11に突出している。
シャフト30にはEリング35が嵌着されている。シャフト30は、Eリング35が貫通穴22の上端口周縁部に当接することにより、-X方向の移動が規制される。シャフト30の下端部は、回転体40にインサート成形されている。シャフト30は、回転体40が面11aに当接することにより、+X方向の移動が制限される。
図4は、回転角度検出装置1の一部を示す部分分解斜視図である。
回転体40は、図3および図4に示すように、外嵌部42、アーム部44およびステム部46を有している。前述したように、シャフト30の下端部は、回転体40にインサート成形されている。これにより、回転体40はシャフト30と一体に回転する。具体的には、外嵌部42は、シャフト30の下端部32に外嵌する。アーム部44は、外嵌部42から径方向外側(+Y方向)に延在する。ステム部46は、アーム部44の先端部に配置されている。ステム部46は、上下方向(X方向)に延在する。
図5は、回転角度検出装置1の内部を示す斜視図である。図6は、図2のB-B線断面図である。
固定側内歯車50の歯部は、図3、図5および図6に示すように、内周面11bにおける下端部側に形成される。固定側内歯車50の歯数は、例えば36個である。
可動側内歯車60は、図3、図5および図6に示すように、第2空間12に回転可能に嵌め込まれる。具体的には、可動側内歯車60は、面12aと、面13aに当接配置されるスペーサ92の上端面92b(後述する)と、内周面12bとで画定される空間に回転可能に嵌め込まれる。可動側内歯車60は、固定側内歯車50と上下方向(X方向)で重なるように配置される。換言すれば、固定側内歯車50と可動側内歯車60とは上下2段に配置される。
可動側内歯車60は、図3に示すように、円板形状をなし、可動側内歯車60の中心部には、上端から下方向に凹入する穴60aが設けられている。換言すると、可動側内歯車60は、円板状底部60bと、円板状底部60bから上方向に延びるリング状部60cとを備える。
円板状底部60bは、嵌合凹部60dを有している。嵌合凹部60dは、下方向に開いた穴である。嵌合凹部60dは、円板状底部60bの下方向を向いた面を底壁面とする。嵌合凹部60dの周壁は、第2空間12から第3空間13に突出している。
可動側内歯車60の歯部は、図3に示すように、リング状部60cの内周面に形成される。可動側内歯車60の歯数は、例えば35個である。
図7は、図3の部分拡大図である。図3および図7に示すように、内周面12bは、リング状部60cの外周面に対して径方向外側(+Y方向)に離れる。これにより、リング状部60cの外周面と内周面12bとの間には隙間GPが設けられる。隙間GPは、リング状部60cに対して径方向外側(+Y方向)に広がる。隙間GPは、可動側内歯車60の直径に対して0.5%から5%までの大きさを有している。また、可動側内歯車60の外周部下端側(-X側)の隙間GPは、可動側内歯車60の外周部上端側(+X側)の隙間GPよりも広い。さらに、-X側の隙間GPにおいては、内周面12bは、-X方向に対して径方向外側(+Y方向)に傾斜する。これにより、-X側の隙間GPは、上側から下側に向かうにしたがって径方向外側に広がっている。隙間GPには、200から350までの稠度を有する潤滑剤が収容されている。
外歯車70は、図3から図6に示すように、ステム部46により回転可能に支持されている。外歯車70は、固定側内歯車50および可動側内歯車60に噛合する。
回転体40、固定側内歯車50、可動側内歯車60、および、外歯車70は、ハイポサイクロイド機構を構成する。例えば、固定側内歯車50の歯数が36個である。また、可動側内歯車60の歯数が35個である。これにより、シャフト30が36回転した場合、可動側内歯車60は、シャフト30の回転方向に1回転する。つまり、回転体40(シャフト30)対する可動側内歯車60の減速比は1/36である。換言すれば、シャフト30の回転数がN(Nは自然数)である場合、可動側内歯車60の回転数はN/36である。したがって、本実施の形態に係る回転角度検出装置1においては、シャフト30が0度から36回転(=36*360度)するまでの範囲が、回転部品やドラムの回転角度を検出可能な範囲となる。
検出部80は、図3に示すように、磁石82と、集積回路84とを有する。磁石82は、円板状底部60bに配置される。具体的には、磁石82は、嵌合凹部60dに嵌着されている。磁石82には、例えば、円盤状で径方向に着磁されたネオジウム磁石などが用いられる。
集積回路84は、配線板90に実装される。集積回路84は、磁気センサ85を有する。磁気センサ85は、磁石82に対し上下方向(X方向)に所定の距離だけ離れて対向配置される。磁気センサ85は、磁石82が発する磁界の方向を、電気信号(例えば、電圧)の変化に変換して出力する。
図8は、シャフト30の回転数と、磁気センサ85から出力される出力レベルとの対応関係の一例を示す図である。図8の横軸にシャフト30の回転数を示し、縦軸に出力レベル[%]を示す。図8に示す対応関係によれば、例えば、シャフト30が18回転する場合、磁気センサ85の出力レベルは50%となる。また、シャフト30が36回転する場合、磁気センサ85の出力レベルは100%となる。
図9は、回転角度検出装置1の一例を示す分解斜視図である。
スペーサ92は、図9に示すように、管状の外形形状を有している。また、スペーサ92は、図3に示すように、その外周面92aが内周面13bに沿うように、かつ、その上端面92bが面13aに当接するように配置される。上端面92bは、面13aから径方向内側(-Y方向)に延在する。-Y方向に延在する面12aは、前述するように、面12aおよび内周面12bと共に、可動側内歯車60が嵌合する収容空間を画定する。また、スペーサ92は、円板状底部60bに配置される磁石82と配線板90に配置される磁気センサ85とを所定の距離で離間するために管軸方向(上下方向)に所定の長さを有している。
配線板90は、図9に示すように、円板状の外形形状を有している。図3に示すように、配線板90は、第3空間13に嵌合している。配線板90は、スペーサ92の下端面92cに接着剤で固定される。これにより、配線板90は、磁石82が配置される円板状底部60bに対し離間して配置される。リード線95は、配線板90上の配線に接続される。配線板90の外周面と内周面13bとの間の隙間は、シール部材96により塞がれている。
上記実施の形態に係る回転角度検出装置1は、ケース10と、ケース10に回転可能に配置されるシャフト30と、シャフト30と一体に回転するように配置される回転体40と、シャフト30と同心に配置され、ケース10に固定される固定側内歯車50と、シャフト30と同心に配置され、固定側内歯車50の歯数と異なる歯数を有し、ケース10に回転可能に配置される可動側内歯車60と、回転体40におけるシャフト30から離間した位置に回転可能に配置され、固定側内歯車50および可動側内歯車60に噛合する外歯車70と、可動側内歯車60の回転角度を検出する検出部80と、を備える。
上記構成により、ケース10に可動側内歯車60が回転可能に配置され、外歯車70が固定側内歯車50および可動側内歯車60に噛合することで、大きな減速比を得ることが可能なため、固定側内歯車50や可動側内歯車60を小径にする必要がなく、可動側内歯車60などの寸法精度や組立精度を高くする必要がない。これにより、コストを低減することが可能となる。また、歯車を多段に配置する必要がないため、装置を薄型にすることが可能となる。
また、上記実施の形態に係る回転角度検出装置1は、固定側内歯車50および可動側内歯車60に上下方向で重なるように配置されている。これにより、装置をさらに薄型にすることが可能となる。
また、上記実施の形態に係るハイポサイクロイド機構は、歯車の個数が少ない場合であっても大きな減速比を得ることができる。これにより、部品点数を削減することができるため、コストを低減することが可能となる。
また、上記実施の形態に係る回転角度検出装置1は、外部からの応力や各部材の熱収縮により可動側内歯車60とケース10との間の隙間GPが狭くなる場合でも、隙間GPが可動側内歯車60の直径に対して0.5%から5%までの大きさを有している。これにより、可動側内歯車60が回転不能となることを回避することが可能となる。
また、上記実施の形態に係る回転角度検出装置1は、-X側(可動側内歯車60の外周部下端側)の隙間GPは、+X側(可動側内歯車60の外周部上端側)の隙間GPよりも広い。さらに、-X側の隙間GPにおいては、-X側ほど広くなっている。これにより、大きな外力がケース10にかかる場合、広めに設定される-X側の隙間GPは、狭くなるものの、所定の広さを保持するため、可動側内歯車60が回転不能となることを防止することが可能となる。
また、上記実施の形態に係る回転角度検出装置1は、隙間GPには、200から350までの稠度を有する潤滑剤が収容されている。可動側内歯車60が不用意に隙間GP内を移動することを防止できる。これにより、音や振動が発生することを防止することが可能となる。
その他、上記実施の形態は、何れも本発明の実施をするにあたっての具体化の一例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその要旨、またはその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。
上記実施の形態では、磁石82および磁気センサ85を有する検出部80により、可動側内歯車60の回転角度を検出するものを示したが、本発明はこれに限らず、例えば、可動側内歯車60に可視光や赤外線を照射し、可動側内歯車60によって反射もしくは透光した光量の変化に基づいて、可動側内歯車60の回転角度を検出する方式や、磁石82の代わりにブラシ、磁気センサ85の代わりに抵抗体を用いた接触式の検出部であってもよい。
本発明は、コストを低減し、かつ、薄型にすることが要求される回転角度検出装置に好適に利用される。
1 回転角度検出装置
10 ケース
10a 穴
11 第1空間
11a,12a,13a 面
11b、12b、13b 内周面
12 第2空間
13 第3空間
20 取付用ネジ
30 シャフト
32 下端部
35 Eリング
40 回転体
42 外嵌部
44 アーム部
46 ステム部
50 固定側内歯車
60 可動側内歯車
70 外歯車
80 検出部
82 磁石
84 集積回路
85 磁気センサ
90 配線板
92 スペーサ
95 リード線
96 シール部材

Claims (5)

  1. 筐体と、
    前記筐体に回転可能に配置される回転軸と、
    前記回転軸と一体に回転するように配置される回転体と、
    前記回転軸と同心に配置され、前記筐体に固定される第1内歯車と、
    前記回転軸と同心に配置され、前記第1内歯車の歯数と異なる歯数を有し、前記筐体に回転可能に配置される第2内歯車と、
    前記回転体における前記回転軸から離間した位置に回転可能に配置され、前記第1内歯車および前記第2内歯車に噛合する外歯車と、
    前記第2内歯車の回転角度を検出する検出部と、
    を備え、
    前記筐体は、前記第2内歯車が回転可能に嵌め込まれる収容空間を有し、
    前記第2内歯車の外周面と前記収容空間の内周面との間の隙間は、前記第2内歯車の直径に対して0.5%から5%までの大きさを有し、前記回転軸の方向において一方から他方に向かうにしたがって、前記第2内歯車に対して前記回転軸の径方向に広がる、
    回転角度検出装置。
  2. 前記隙間に収容される潤滑剤は、200から350までの稠度を有する、
    請求項に記載の回転角度検出装置。
  3. 前記第1内歯車および前記第2内歯車は、前記回転軸の軸方向に重なるように配置される、
    請求項1または2に記載の回転角度検出装置。
  4. 前記検出部は、
    前記第2内歯車に配置される磁石と、
    前記磁石と対向配置され、前記磁石が発する磁界の向きを、電気信号の変化に変換して出力する磁気センサを含む集積回路と、
    を有する、
    請求項1からのいずれか一項に記載の回転角度検出装置。
  5. 筐体と、
    前記筐体に回転可能に配置される回転軸と、
    前記回転軸と一体に回転するように配置される回転体と、
    前記回転軸と同心に配置され、前記筐体に固定される第1内歯車と、
    前記回転軸と同心に配置され、前記第1内歯車の歯数と異なる歯数を有し、前記筐体に回転可能に配置される第2内歯車と、
    前記回転体における前記回転軸から離間した位置に回転可能に配置され、前記第1内歯車および前記第2内歯車に噛合する外歯車と、
    前記第2内歯車の回転角度を検出する検出部と、
    を備え、
    前記回転軸は、前記筐体の外部側に位置する前記回転軸の軸方向一側の端部と、前記軸方向一側の端部から前記筐体の内部側に延在する前記回転軸の軸方向他側の端部とを有し、
    前記第2内歯車の回転中心部は、前記軸方向一側から前記軸方向他側へ凹入する穴を有し、
    前記回転体は、前記回転軸の軸方向他側の端部に外嵌する外嵌部を有し、
    前記外嵌部は、前記軸方向一側から前記軸方向他側へ前記穴に嵌入する、
    回転角度検出装置。
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