JP7490386B2

JP7490386B2 - 回転角度検出装置

Info

Publication number: JP7490386B2
Application number: JP2020027143A
Authority: JP
Inventors: 学市倉; 悠介野澤
Original assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: Tokyo Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2020-02-20
Filing date: 2020-02-20
Publication date: 2024-05-27
Anticipated expiration: 2040-02-20
Also published as: JP2021131316A

Description

本発明は、回転角度検出装置に関するものである。

一般的に、回転角度検出装置における回転軸の回転角度は、３６０°未満（すなわち、回転軸の回転量が１回転未満）とされているものが多いが、回転軸を３６０°以上（例えば、２から１０回転、あるいはそれ以上）回転させる事が可能な回転角度検出装置も知られている。このような回転角度検出装置は、多回転型の回転角度検出装置と呼ばれており、多回転型の回転角度検出装置の多くは、回転機構部分に減速ギヤが内蔵されており、回転軸の回転を大きな減速比により減速して検出部に伝える構造となっている。

例えば、特許文献１には、シャフトとシャフトの回転を減速するための４つの平歯車からなる減速機構とを備え、減速したシャフトの回転角度を電圧値に変換するポテンショメータが開示されている。

また、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ヤと、ウォームギヤに噛合する歯車と、歯車と共に回転するインジケータと、を備えたポテンショメータが開示されている。

特開２０１４－１６７４２７号公報実開昭５７－３７２０５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された多回転型のポテンショメータでは、複数の平歯車を組み合わせた減速装置を使用しており、大きな減速比を得るためには小型でピッチサイズの小さい精密な歯車と軸受け部が必要となることから、コストが嵩むという問題がある。また、歯車を多段にしているため歯車の回転軸方向（奥行き方向）を長くすることが必要となり、装置自体の薄型化が難しいという問題もある。

また、特許文献２に記載された多回転型のポテンショメータでは、ウォームギヤを使用しているため、ウォームギヤの回転軸と角度検出機構の回転軸の配置が直交する形となり、その結果として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を大きくしなければならないという問題がある。また精密な歯車加工が必要であるためにコストが掛かるという問題もある。

本発明の目的は、コストを低減し、かつ、薄型化することが可能な多回転型の回転角度検出装置を提供することにある。

上記の目的を達成するため、本発明の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、前記筐体に固定して配置される第１の冠歯車と、前記回転軸と同心に配置され、前記第１の冠歯車の歯数と異なる歯部を有し、前記筐体に回転可能に配置される第２の冠歯車と、前記回転体における前記回転軸から径方向に離間した位置に回転可能に配置され、前記第１の冠歯車および前記第２の冠歯車の両者に噛合する駆動歯車と、前記第２の冠歯車の回転角度を検出する検出部と、を有する。

本発明の回転角度検出装置によれば、コストを低減出来、且つ、薄型化を実現することができる。

本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の外観図本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の構成を示す分解斜視図本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の断面図本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置の検出部を説明する分解斜視図本発明の実施の形態に係る第１の冠歯車の外観図と断面図本発明の実施の形態に係る第２の冠歯車の外観図と断面図本発明の実施の形態に係る第１の冠歯車の歯部と第２の冠歯車の歯部の位置関係を説明するための平面図本発明の実施形態に係るシャフトの回転数と出力レベルの関係を示すグラフ

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。

図１は、本発明の実施の形態に係る回転角度検出装置１００の全体構成を示す外観図であり、図１Ａはその平面図、図１Ｂは正面図である。また、図２は、回転角度検出装置１００の詳細な構成を示す分解斜視図であり、図３は、図１ＡにおけるＡ－Ａ線断面図である。

図１から図３に示すように、回転角度検出装置１００は、筐体であるケース４の内部に、回転を伝えるためのシャフト１と、シャフト１の回転を減速させる減速機構を構成する駆動歯車１１、外側冠歯車５（第１の冠歯車に相当）、内側冠歯車１３（第２の冠歯車に相当）が配置されている。また、ケース４の内部には、更に磁石１０、磁気センサ８が実装された回路基板７が配置されている。磁石１０は内側冠歯車１３の中央部下面に取り付けられている。回路基板７には磁気センサ８に電源電圧を供給するとともに、検出したシャフト１の回転変位量に応じた出力値を出力するためのリード線６が取付けられている。

ケース４は樹脂材料により形成されており、全体形状は上底を持つ概略円筒形状とされている。換言すると、ケース４は、上底となる円板部４ｂと、円板部４ｂから下方向に延びる円筒部４ｃとを備え、下底が開放された有底円筒形状をなす。

円板部４ｂは円板形状の外形を有し、その中心部には貫通穴４ａが形成されている。円筒部４ｃは、筒状の外形を有する。ケース４の円筒部４ｃの内側は空間部４ｄとされており、この空間部４ｄに上述した各部材が収容されている（図３参照）。

またケース４には、貫通穴４ａを取り囲む位置に取付用ネジ３が形成されている。取付用ネジ３は、貫通穴４ａの周縁から円板部４ｂに対して垂直方向であって且つ外方向に立設するように形成された円筒形状の筒体である。

取付用ネジ３は金属製の円柱部材を中空状に加工した円筒状の部材（円筒体）であり、中空部分はシャフト１を受けるための円形の貫通孔３ａとなっている。また、取付用ネジ３の外周面には、回転角度検出装置１００を図示しないパネル等の被取付部に取り付ける際に、被取付部に対して回転角度検出装置１００をナットにより固定するための雄ネジが形成されている。取付用ネジ３は、ケース４の円板部４ｂの中央部（貫通穴４ａと対応する位置）にインサート成形によりケース４と一体となるように形成されている。

シャフト１は、金属または樹脂により形成されており、一端部（図１Ｂ及び図２において上側の部分）には、操作用のつまみ（不図示）を装着する際に回り止めとなるようにＤカット部１ａが形成されている。また、シャフト１の中央部付近の外周面には、後述するＥリング２を装着するための、円環状の溝１ｂが形成されている。溝１ｂは、シャフト１の一端部をケース４外に突出させた状態でシャフト１をケース４に組み込んだ際にケース４外に位置する溝１ｂにＥリング２を挿入してシャフト１の軸方向の移動を規制した状態でシャフト１をケース４に対して回転可能に保持する役割を果たす。

また、シャフト１の他端部（図１Ｂ及び図２において下側の部分）には、円環形状のロータ１２がシャフト１と一体的に回転するようにインサート成形よりシャフト１に取り付けられている。ロータ１２の外周面１２ａには、円周方向に突出する支持軸１４がロータ１２と一体的に形成されており、この支持軸１４には後述する駆動歯車１１が回転可能な状態で装着される。

支持軸１４は金属又は樹脂からなり、インサート成形によりロータ１２と一体に形成されている。

駆動歯車１１は、例えば１０歯からなるピニオンギヤであり、樹脂により形成されたものである。なお、ピニオンギヤの歯数は１０に限定されるものではない。

外側冠歯車５は、図２及び図５Ａに示すような円盤形状であり、その上面（図２における上側の面）の外縁近傍部分には、例えば３６個の歯が形成された歯部５ａが円環状に形成されており、いわゆる、フェースギヤのような形状とされている。

図５Ｂは、図５ＡにおけるＢ－Ｂ線断面図であり、外側冠歯車５において歯部５ａが形成されている領域の内側には、図５Ｂに示すように円環状の座ぐり部５ｂが形成され、更に座ぐり部５ｂの内側には円形形状の貫通穴５ｃが形成されている。この座ぐり部５ｂと貫通穴５ｃには、グリース１５が塗布された後、内側冠歯車１３が組み込まれる。その際、内側冠歯車１３の下面に形成された後述する突起１３ｂが貫通穴５ｃの嵌め込まれる形で両者は相対回転が可能な状態で組み付けられる。なお、外側冠歯車５の下面には円盤状の凹部５ｄが更に形成されており、ケース４に回路基板７を組み込んだ際に回路基板７に実装された磁気センサ８が位置する空間がこの凹部５ｄにより確保されるようになっている。

内側冠歯車１３は、図２及び図６Ａに示すよう円盤形状であり、かつ、その外径が外側冠歯車５における座ぐり部５ｂの内径とほぼ等しくなる大きさとされており、外側冠歯車５の座ぐり部５ｂ内に対して相対的に回転することが可能な程度のクリアランスを持って組み付けられる。内側冠歯車１３も外側冠歯車５と同様に樹脂により成形されている。また、その上面（図２における上側の面）の外縁部分には、例えば３５個の歯が形成された歯部１３ａが円環状に形成されており、いわゆるフェースギヤのような形状とされている。

図６Ｂは、図６ＡにおけるＣ－Ｃ線断面図であり、内側冠歯車１３の歯部１３ａが形成された面とは反対側の面である内側冠歯車１３の下面には、図６Ｂに示すように円環形状の突起１３ｂが形成されているとともに、突起１３ｂの内側は磁石１０を収納するための円柱状の空間１３ｃとなっている。磁石１０は、空間１３ｃ内に配置されて、例えば接着剤（図示せず）で固定される。

外側冠歯車５の歯部５ａと内側冠歯車１３の歯部１３ａとは、組み付けられた状態においてほぼ同一平面上に位置するように構成されており、歯部５ａと歯部１３ａとは駆動歯車１１に同時に噛合う。

磁石１０としては、円盤形状のネオジウム磁石やサマリウムコバルト磁石等が用いられる。磁石１０は、図４に矢印で示すように径方向に着磁されている。この磁石１０は、内側冠歯車１３の回転軸Ｍの中心に配置される。内側冠歯車１３が回転することで磁石１０も一体的に回転する。すなわち、シャフト１の回転の動きに合わせて、磁界(Ｎ極とＳ局を結ぶ線)の向きが変化する。

磁気センサ８は、図４に示すように磁気センサ８上に配置された磁石１０の磁界の向きを検出するものであり、例えば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８は、磁石１０の回転による磁界の角度変化を検出し、その検出値を電気信号として回路基板７及びリード線６を通して出力する。

回路基板７には、磁気センサ８の駆動等を行うための図示しない制御回路が形成されているとともに磁気センサ８が実装されており、また回路基板７には磁気センサ８からの信号を出力するためのリード線６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。回路基板７は、ケース４内の空間部における外側冠歯車５の下面に組付けられ、回路基板７の裏面側は接着剤９によりケース４に固定される。（図２及び図３参照）

次に、本実施の形態における回転角度検出装置の動作を説明する。シャフト１に取り付けられた駆動歯車１１は、外側冠歯車５の歯部５ａと内側冠歯車１３の歯部１３ａの両者に噛み合っている。また外側冠歯車５はケース４に固定されているのに対して、内側冠歯車１３は外側冠歯車５に対して回転可能とされている。

この構造により、シャフト１が回転することによって駆動歯車１１が歯部５ａ及び歯部１３ａの両者に噛合いながら転動してゆくと、駆動歯車１１は不動とされている外側冠歯車５の歯部５ａ上を転動しながら同時に歯部１３ａと噛合っていることにより内側冠歯車１３をシャフト１の回転方向と逆の方向へ微少量ずつ回転させることになる。

図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃは、この動作を具体的に説明するために外側冠歯車５の歯部５ａと内側冠歯車１３の歯部１３ａとの相対的な位置関係の変化を示したものであり、図７Ａ中の矢印で示す位置を、説明の便宜上、内側冠歯車１３の初期位置とする。

これに対して、図７Ｂは、シャフトが初期位置から１８０度回転した時に内側冠歯車１３が外側冠歯車５に対してどの位置にあるのかを示した図である。また、図７Ｃは、シャフトが３６０度、すなわち１回転した時に内側冠歯車１３が外側冠歯車５に対してどの位置にあるのかを示した図である。

図７Ａに示すように、初期状態では、外側冠歯車５と内側冠歯車１３の両者と駆動歯車１１とが噛み合っている位置（矢印Ｘで示す位置）において、外側冠歯車５と内側冠歯車１３の歯は同一線上に揃っている。

次に、シャフトを１８０°回転させると、図７Ｂに示すよう、外側冠歯車５と内側冠歯車１３の歯は、１８０°の位置で同一線上に揃う。

さらに、シャフトを１８０°回転させて初期位置に戻ると、図７Ｃに示すよう、外側冠歯車５と内側冠歯車１３は、初期位置で直線上に揃う。但し、内側冠歯車１３は歯数が３５であるのに対して外側冠歯車５は歯数が３６であること、すなわち内側冠歯車１３の歯数が１つ少ないためにシャフト１の１回転に対して歯車の１歯分(約１０．３°)だけ回転がずれる。
つまり、シャフトが１回転する度に、内側冠歯車１３はシャフトの回転とは逆方向に歯車１歯分(約１０．３°)だけ回転することになる。

内側冠歯車１３が回転すると、それに応じて内蔵している磁石１０の磁界の向きが変化するので、この変化量を、磁気センサ８により検出することで、角度の変化を検出することができる。この時、シャフト１の回転軸と磁石１０の中心、および磁気センサ８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８によって電圧値に変換され、リード線６により外部へ出力される。

次に、シャフト１の回転数と出力レベルの関係を、図８を用いて説明する。図８は、シャフト１の回転数と磁気センサ８の出力レベルとの関係を示したグラフである。横軸はシャフト１の回転数であり、縦軸は磁気センサ８の出力を、初期位置（０回転）における出力レベルを０％とし、３５回転が終了した位置（すなわち、磁気センサ８が３６０度回転したときの位置）における出力レベルを１００％として表示したものである。

すなわち、シャフト１を１回転させる毎に内側冠歯車が約１０．３°ずつ回転し、３５回転目で３６０°に到達する。磁気センサ８の出力についても、シャフト１を回転させる度に上昇し、３５回転目で出力レベルは１００％となる。シャフト１の回転数と出力レベルの関係は直線的に変化する。

本実施の形態によれば、シャフト１の回転数および回転位置に応じて磁気センサ８の出力レベルが直線的に変化するので、シャフト１の回転数および回転位置を精度良く検出することができる。

また、シャフト１の回転の減速機構として冠歯車を用いていることから、低コストで回転角度検出装置の薄型化を実現することが可能となる。

なお、本発明は、部材の種類、配置、歯車の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。

また、本発明の回転角度検出装置は、定電圧電源の電圧調整や、計測器の原点調整等で広く利用することができることは勿論である。

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。

本発明は回転角度検出装置に用いて好適である。

１シャフト
２Ｅリング
３取付用ネジ
４ケース
４ａ貫通穴
４ｂ円板部
４ｃ円筒部
４ｄ空間部
５外側冠歯車
５ａ歯部
５ｂ座ぐり部
５ｃ貫通穴
６リード線
７回路基板
８磁気センサ
９接着剤
１０磁石
１１駆動歯車
１２ロータ
１２ａ外周面
１３内側冠歯車
１３ａ歯部
１３ｂ突起
１３ｃ空間
１４支持軸
１５グリース
１００回転角度検出装置

Claims

筐体と、
前記筐体に回転可能に配置される回転軸と、
前記回転軸と同心に配置され、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、
前記回転体の外周面に形成され、前記回転体の円周方向に突出する支持軸と、
前記回転軸と同心に配置され、前記筐体に固定して配置される第１の冠歯車と、
前記第１の冠歯車の内側に前記回転軸と同心に配置され、前記第１の冠歯車の歯数よりも少ない歯数を有し、前記筐体に回転可能に配置される第２の冠歯車と、
前記支持軸に支持されて、前記回転体における前記回転軸から径方向に離間した位置に回転可能に配置され、前記第１の冠歯車および前記第２の冠歯車の両者に噛合するピニオンギヤと、
前記第２の冠歯車の歯部が形成された面とは反対側の面である下面側の、前記第２の冠歯車の回転軸の中心位置に固定された磁石と、
前記磁石下に配設され、前記磁石の磁界の向きを検出する磁気センサと、
を有する、
回転角度検出装置。
前記第１に冠歯車の１つの歯と、
前記第２の冠歯車の１つの歯と、
を同一線上に配置した状態で、前記ピニオンギヤと、
を噛合いさせて回転させる、
請求項１に記載の回転角度検出装置。